Гермес MIT - двустворчатый робот, который использует телеоперацию всего тела для перемещения с большей маневренностью.
Динамический дуэт: Жуан Рамуш из MIT носит костюм теле оператора, который соединяет его тело с двустворчатым роботом HERMES, предназначенным для реагирования на стихийные бедствия. Рефлексы Рамоса помогают ГЕРМЕСАМ оставаться на ногах.Внезапный, трагический сигнал пробуждения: Именно столько роботов рассматривают атомную катастрофу на АЭС "Фукусима-1", вызванную мощным землетрясением и цунами, обрушившимися на Японию в 2011 году. В сообщениях, полученных после аварии, говорилось о том, что попытки работников принять срочные меры, такие как установка клапанов рабочего давления, были сорваны из-за высокого уровня радиации. Это была идеальная миссия для робота, но ни у одного робота в Японии или где-либо еще не было возможности справиться с ней. Фукусима заставила многих из нас, членов робототехнического сообщества, осознать, что нам нужно вывести наши технологии из лаборатории и доставить их в мир.После аварии на АЭС "Фукусима" роботы для реагирования на чрезвычайные ситуации добились значительного прогресса. Исследовательские группы по всему миру продемонстрировали беспилотные наземные машины, способные преодолевать завалы, роботизированных змей, способных пробиваться сквозь узкие щели, и беспилотников, способных составить карту местности сверху. Исследователи также создают гуманоидные роботы, которые могут осматривать повреждения и выполнять критически важные задачи, такие как доступ к панели приборов или транспортировка оборудования для оказания первой помощи.Однако, несмотря на достигнутые успехи, создание роботов, обладающих теми же двигательными навыками и навыками принятия решений, что и аварийные работники, по-прежнему представляет собой проблему. Чтобы открыть тяжелую дверь, разрядить огнетушитель и выполнить другую простую, но трудную работу, роботы должны быть согласованы друг с другом на таком уровне, который им еще только предстоит освоить.Гермес тушит огонь.
Для проверки схемы телесотрудничества исследователи Массачусетского технологического института (MIT) поручили HERMES выполнить ряд задач, требующих силовых установок, таких как использование огнетушителя.Одним из способов компенсировать это ограничение является дистанционное управление роботом с помощью пульта дистанционного управления, осуществляемое оператором, как постоянно, так и во время выполнения определенных задач, чтобы помочь роботу достичь большего, чем он мог бы сделать сам по себе.Телеуправляемые роботы уже давно используются в промышленности, аэрокосмической и подводной промышленности. Совсем недавно исследователи экспериментировали с системами захвата движения для передачи движений человека гуманоидному роботу в режиме реального времени: Ты махаешь руками, а робот имитирует твои жесты. Специальные очки позволяют оператору увидеть, что видит робот с помощью своих камер, а тактильный жилет и перчатки обеспечивают тактильные ощущения на теле оператора, чтобы получить полное погружение в атмосферу.
В Лаборатории биомиметической робототехники Массачусетского технологического института (MIT) наша группа работает над дальнейшим объединением людей и машин в надежде ускорить разработку практических роботов для ликвидации последствий стихийных бедствий. При поддержке Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) мы создаем телероботическую систему, состоящую из двух частей: гуманоида, способного быстро и динамично вести себя, и нового типа двустороннего интерфейса человек-машина, который посылает ваши движения к роботу и движения робота к вам. Поэтому если робот наступает на мусор и начинает терять равновесие, оператор чувствует ту же нестабильность и инстинктивно реагирует, чтобы избежать падения. Затем мы фиксируем эту физическую реакцию и отправляем ее обратно к роботу, что также помогает ему избежать падения. Благодаря этой связи человек-робот может использовать врожденные моторные навыки оператора и мгновенные рефлексы, чтобы сохранить опору.
Можно сказать, что мы вставляем человеческий мозг в машину.
В идеале, в будущем роботы для ликвидации последствий катастроф будут обладать большой степенью автономности. Когда-нибудь мы надеемся, что сможем самостоятельно отправить робота в горящее здание для поиска жертв или развернуть его на поврежденном промышленном объекте и заставить его определить, какой клапан ему нужно перекрыть. Мы далеки от такого уровня возможностей. Отсюда растущий интерес к телеоперациям.
ГЕРМЕС бьет топором.
Вызов робототехники DARPA в Соединенных Штатах и вызов робототехники ImPACT Tough Robotics Challenge в Японии относятся к числу недавних усилий, которые продемонстрировали возможности телесотрудничества. Одной из причин, по которой люди оказываются в курсе событий, является непредсказуемый характер места бедствия. Навигация в таких хаотичных условиях требует высокой степени адаптируемости, недостижимой для современных алгоритмов искусственного интеллекта.
Например, если автономный робот сталкивается с дверной ручкой, но не может найти совпадение в своей базе данных дверных ручек, миссия проваливается. Если робот застрял в руке и не знает, как освободиться, миссия провалится. С другой стороны, люди могут легко справляться с подобными ситуациями: Мы можем адаптироваться и учиться на лету, и мы делаем это ежедневно. Мы можем определить изменения в форме объектов, справиться с плохой видимостью и даже выяснить, как использовать новый инструмент на месте.
То же самое относится и к моторике. Подумайте о том, чтобы бежать с тяжелым рюкзаком. Вы можете бегать медленнее или не так далеко, как хотелось бы без дополнительного веса, но вы все равно можете выполнять эту задачу. Наши организмы могут с удивительной легкостью адаптироваться к новой динамике.
Разрабатываемая нами система телеопераций не предназначена для замены автономных контроллеров, с помощью которых ножные роботы могут самостоятельно балансировать и выполнять другие задачи. Мы все еще предоставляем нашим роботам максимальную автономию. Но соединяя робота с человеком, мы используем все преимущества обоих миров: выносливость и силу робота, а также его универсальность и восприятие.
Наша лаборатория давно изучила, как биологические системы могут вдохновлять на создание более совершенных машин. Особым ограничением существующих роботов является их неспособность выполнять то, что мы называем силовыми манипуляциями - трудные подвиги, такие как сбивание с дороги куска бетона или ввинчивание топора в дверь. Большинство роботов разработаны для более точных и деликатных движений и бережного контакта.
Мы разработали гуманоидный робот HERMES (для высокоэффективных роботизированных механизмов и электромеханических систем), специально для такого рода тяжелых манипуляций. Робот относительно легковесен (45 кг), но при этом силен и надежен. Его тело примерно на 90% больше среднего человека, что позволяет ему естественным образом маневрировать в среде обитания человека.
Вместо того, чтобы использовать обычные двигатели постоянного тока, мы создали специальные приводы для питания соединений HERMES, опираясь на многолетний опыт работы с нашей платформой Cheetah - четырехместным роботом, способным выполнять взрывные движения, такие как спринтование и прыжки. Электроприводы включают бесщеточные двигатели постоянного тока, соединенные с планетарным редуктором, так называемым, потому что три "планетарные" редуктора вращаются вокруг "солнечной" передачи, и они могут создавать большой крутящий момент для своего веса. Плечи и бедра робота приводятся в действие напрямую, а колени и колени приводятся в действие металлическими прутьями, соединенными с исполнительными механизмами. Это делает HERMES менее жесткими, чем другие гуманоиды, способными поглощать механические удары без разрушения зубчатых колес.
В первый раз, когда мы включили питание на HERMES, это была всего лишь пара ног. Робот даже не мог стоять один, поэтому мы подвесили его на ремне. В качестве простого теста мы запрограммировали его левую ногу на удар. Мы схватили первое, что нашли, валяясь в лаборатории - пластиковый мусорный бак - и положили его перед роботом. Было приятно видеть, как ГЕРМЕС выбрасывает мусорный бак через всю комнату.
Интерфейс человек-машина, который мы создали для управления HERMES, отличается от обычного интерфейса тем, что он основан на рефлексах оператора для повышения стабильности работы робота. Мы называем это интерфейсом обратной связи по балансу, или BFI.
Потребовались месяцы и несколько итераций для разработки БФИ. Первоначальная концепция имела некоторое сходство с концепцией костюмов виртуальной реальности, представленных в 2018 году в фильме Стивена Спилберга Ready Player One. Этот дизайн никогда не покидал чертежной доски. Мы обнаружили, что физически отслеживать и перемещать тело человека - с более чем 200 костями и 600 мышцами - задача не из простых, поэтому решили начать с более простой системы.
Для работы с HERMES оператор стоит на квадратной платформе, примерно 90 сантиметров сбоку. Тензодатчики измеряют силы, действующие на поверхность платформы, поэтому мы знаем, куда толкаются ноги оператора. Набор тяг крепится к конечностям и талии оператора (в основном к центру массы человеческого тела) и использует поворотные датчики для точного измерения перемещений с точностью до менее чем сантиметра. Но некоторые связи нужны не только для того, чтобы чувствовать: В них также имеются двигатели для приложения усилий и крутящего момента к туловищу оператора. Если вы пристегнетесь к BFI ремнями, эти тяги могут приложить до 80 ньютонов силы к вашему телу, что достаточно, чтобы дать вам хороший толчок.
Мы установили два отдельных компьютера для управления HERMES и BFI. Каждый компьютер имеет свой собственный контур управления, но обе стороны постоянно обмениваются данными. В начале каждого цикла HERMES собирает данные о своем положении и сравнивает их с данными, полученными от ЧРПИ о положении оператора. В зависимости от того, чем отличаются данные, робот регулирует свои исполнительные механизмы, а затем немедленно отправляет данные о новом положении в ЧФИ. Затем ЧРП выполняет аналогичный контур регулирования для регулировки положения оператора. Этот процесс повторяется 1000 раз в секунду.
Для того чтобы обе стороны могли работать так быстро, нам пришлось сжимать информацию, которой они обмениваются. Например, вместо того, чтобы посылать детальное изображение положения оператора, BFI посылает только положение центра массы человека и относительное положение каждой руки и стопы. Затем компьютер робота масштабирует эти измерения пропорционально размерам системы HERMES, которая воспроизводит эталонное положение. Как и в любом другом контуре двустороннего телеуправления, это соединение может вызвать колебания или нестабильность. Мы минимизировали это, отрегулировав параметры масштабирования, которые отображают положение человека и робота.
Для тестирования БФИ один из нас (Рамос) вызвался стать оператором. В конце концов, если вы спроектировали основные части системы, вы, вероятно, лучше подготовлены для ее отладки.
Фотография компании HERMES, держащей топор.
В одном из первых экспериментов мы протестировали ранний алгоритм балансировки для HERMES, чтобы увидеть, как человек и робот будут вести себя при соединении. В тесте один из исследователей использовал резиновый молоток, чтобы ударить HERMES по верхней части тела. С каждым ударом БФИ делал похожий толчок на Рамоса, который рефлексивно перемещал свое тело, чтобы восстановить равновесие, заставляя робота ловить и себя.
До этого момента HERMES оставалась всего лишь парой ног и туловищем, но в конце концов мы закончили работу над остальной частью тела. Мы создали руки, которые используют те же приводы, что и ноги и руки, изготовленные из деталей с 3D-печатью, армированных углеродным волокном. Головка оснащена стереокамерой для потокового воспроизведения видео на гарнитуру оператора. Мы также добавили защитную каску, просто потому.
В другом раунде экспериментов мы использовали перфорацию HERMES через гипсокартон, намахивали топором на доску и, под наблюдением местного пожарного детектива, тушили контролируемый огонь с помощью огнетушителя. Аварийным роботам потребуется больше, чем просто грубая сила, поэтому HERMES и Ramos также выполняли задачи, требующие большей ловкости, например, заливали воду из кувшина в чашку.
В каждом случае, когда оператор симулировал выполнение задачи, привязанный к ЧФИ, мы наблюдали, насколько хорошо робот отражает эти действия. Мы также рассмотрели сценарии, в которых реакция оператора может помочь роботу больше всего. Например, когда HERMES ударила гипсокартон, его туловище отскочило назад. Почти сразу же соответствующая сила толкнула оператора, который рефлексивно наклонился вперед, помогая ГЕРМЕСам отрегулировать свою осанку.
Мы были готовы к новым испытаниям, но поняли, что HERMES слишком велика и мощна для многих экспериментов, которые мы хотели провести. Несмотря на то, что машина человеческого масштаба позволяет выполнять реалистичные задачи, перемещение отнимает много времени и требует много мер предосторожности - она управляется топором! Пытаться вести себя более динамично или даже ходить пешком оказалось непросто. Мы решили, что ГЕРМЕСу нужен младший брат.
Little HERMES - это уменьшенная версия HERMES. Как и его старший брат, он использует специальные приводы с высоким крутящим моментом, которые устанавливаются ближе к телу, а не на ногах. Такая конфигурация позволяет ногам качаться намного быстрее. Для более компактной конструкции мы сократили количество осей движения или степень свободы, в роботизированном языке, с шести до трех на конечность, и заменили оригинальные двухзубые ножки на простые резиновые шары, каждая из которых имеет трехосевой датчик силы, заправленный внутри.
Марионеточный мастер: Жуан Рамуш и его коллеги создают уменьшенную версию HERMES под названием Little HERMES. Робот будет выполнять автономные функции, но в то же время будет полагаться на человека-телеоператора для достижения большего, чем он мог бы сделать сам.
Подключение ЧРП к Маленьким ГЕРМЕСам требует регулировки. Существует большая разница в масштабе между взрослым человеком и этим маленьким роботом, и когда мы пытались напрямую связать их движения, отобразив положение коленей человека и колен и так далее, это привело к вялому движению. Нам нужна была другая математическая модель, чтобы посредничать между двумя системами. В модели мы разработали параметры рельсов, такие как контактные силы на земле и центр масс оператора. Он захватывает своего рода "контур" предполагаемого движения оператора, который Little HERMES способен выполнить.
В одном эксперименте мы установили оператора на место, сначала медленно, а затем быстрее. Мы были рады видеть, что Маленький ГЕРМЕС шел точно так же. Когда оператор прыгнул, Маленький ГЕРМЕС тоже прыгнул.
В последовательности фотографий, сделанных нами, вы можете увидеть человека и робота в воздухе в течение короткого промежутка времени. Мы также поместили под ноги робота куски дерева в качестве препятствий, и контроллер робота смог удержать робота от падения.
Нашей целью является создание гибкого четырехместного робота, который трансформируется в квалифицированного двустворчатого робота.
Решением здесь является разделение ответственности за стабилизацию работы робота между оператором и машиной. Если HERMES выполняет задачу, которая требует от оператора более осознанных усилий, оператору не нужно также поддерживать баланс робота; баланс робота может быть заменен автономным контроллером. Одним из способов выявления таких сценариев является отслеживание взгляда оператора. Фиксированный взгляд указывает на ментально утомительную задачу, и в таких случаях должен включиться автономный режим балансировки.
Еще одним препятствием для нашей системы - или любой другой телеуправляемой системы - являются задержки при передаче данных. Представьте, что вы управляете роботом дистанционно, и между командами и ответами робота проходит 1-секундный промежуток времени. Возможно, вы все еще сможете телеоператировать его, но если задержка увеличится, вы почувствуете себя дезориентированным и неспособным выполнять манипуляции. Мы планируем использовать новые беспроводные технологии, такие как 5G, которые обеспечивают как низкую задержку, так и высокую пропускную способность.
Наконец, есть несколько смелых новых дизайнов, которые мы хотели бы изучить. Хотя HERMES и Little HERMES являются двуногими роботами, нет реальной причины для того, чтобы спасательный робот был двуногой. Одна из перспективных возможностей - это машина, которая будет ходить на четырех ногах по сложной местности, а затем вставать на задние конечности для выполнения манипуляций, как это делают некоторые виды приматов.
Наша долгосрочная цель - объединить ножные роботы, которые мы разработали в нашей лаборатории: Гепард и ГЕРМИСЫ. В результате получился бы быстро движущийся четырехместный робот, который мог бы автономно врезаться в место катастрофы, а затем превратиться в двустворчатого робота, который мог бы использовать навыки и рефлексы опытного специалиста по оказанию первой помощи. Мы считаем, что подобные технологии помогут спасателям выполнять свою работу лучше и безопаснее.