HERMES與可穿戴外骨骼機(jī)器人技術(shù)詳解

MIT所打造的人形機(jī)器人系統(tǒng)不只能在危險(xiǎn)的環(huán)境運(yùn)作，能負(fù)擔(dān)繁重的任務(wù)，此設(shè)計(jì)最重要的影響是由現(xiàn)代汽車（Hyundai Motor Company）研究員Dong Jin Hyun衍生設(shè)計(jì)出的可穿戴式外骨骼。

一年一度的國際消費(fèi)性電子展（CES）在1月初于美國拉斯韋加斯舉行，在展出的眾多五花八門的消費(fèi)性電子裝置中，筆者偏好尋找能對這個(gè)世界帶來一些重要影響的電子技術(shù)；CES第一天，我首先注意到的就是韓國現(xiàn)代汽車（Hyundai Motor Company）展示的可穿戴外骨骼機(jī)器人（wearable robotic exoskeleton），由該公司的資深研究員Dong Jin Hyun講解。

可穿戴外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)始于美國麻省理工學(xué)院（MIT）的「高效益機(jī)器人架構(gòu)與電機(jī)系統(tǒng)（highly efficient robotic mechanisms and electromechanical system，HERMES）」，是MIT仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（Biomimetic Robotics Lab）旗下的研究項(xiàng)目；該實(shí)驗(yàn)室提出了一個(gè)概念、著手設(shè)計(jì)，最后打造了可遠(yuǎn)程操控的全身人形機(jī)器人原型。

MIT所打造的人形機(jī)器人系統(tǒng)不只能在危險(xiǎn)的環(huán)境運(yùn)作，能負(fù)擔(dān)繁重的任務(wù)，此設(shè)計(jì)最重要的影響是由Dong Jin Hyun衍生設(shè)計(jì)出的可穿戴式外骨骼。

讓HERMES與人形機(jī)器人動(dòng)作平衡

設(shè)計(jì)工程師一直在嘗試讓機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)發(fā)揮到極限──也就是說讓機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行為動(dòng)作就跟人類一樣。我們身為人類，能透過大腦思考來適應(yīng)不尋常、未預(yù)期的狀況，讓我們能在問題解決方面非常有創(chuàng)造力；透過在機(jī)器人身上布署某種形式的人工智能以及運(yùn)動(dòng)技巧，就可能讓機(jī)器人能進(jìn)入高度危險(xiǎn)、可能致命的環(huán)境執(zhí)行任務(wù)，以保障現(xiàn)場工作人員的生命安全。

藉由采用發(fā)散運(yùn)動(dòng)分量（divergent component of motion，DCM），操作員與機(jī)器人能透過質(zhì)心（center of mass，CoM）與壓力中心（center of pressure，CoP）的動(dòng)力達(dá)成平衡同步化；我們?nèi)祟惸芡高^幾個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)復(fù)雜的動(dòng)作，并同步協(xié)調(diào)動(dòng)作的優(yōu)美與順暢，而研究人員也希望打造出能完全模仿人類流暢動(dòng)作的機(jī)器人。

能達(dá)成以上目標(biāo)的方法之一，是透過全身遠(yuǎn)程操作（whole-body teleoperation）來擷取、模仿人類的動(dòng)作。

MIT研發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)HERMES，是一種能執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)態(tài)操作任務(wù)的人形機(jī)器人設(shè)計(jì)。（來源：參考數(shù)據(jù)1）

遠(yuǎn)程的機(jī)器人操作員需要能與機(jī)器人的身體與感官合為一體，也就是說能感覺到機(jī)器人的力量以及受到的干擾，并因此能導(dǎo)引機(jī)器人成功執(zhí)行任務(wù)、就像操作員自己在現(xiàn)場一樣。MEMS傳感器應(yīng)該在這種設(shè)計(jì)中扮演了重要角色，現(xiàn)在加速度計(jì)與陀螺儀已經(jīng)能有效被運(yùn)用于這類人形機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)作與感測。

慣性量測單元（IMU）以及傳感器中樞，能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確控制、自動(dòng)化以及定位（positioning）；如ADI的EVAL-ADIS2評估系統(tǒng)能協(xié)助加速產(chǎn)品上市，Bosch Sensortec也有可搭配其智慧中樞（Smart Hubs）以及專用傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）的優(yōu)異傳感器中樞軟件。

Bosch Sensortec的MEMS傳感器解決方案陣容堅(jiān)強(qiáng)。（來源：Bosch Sensortec）

客制化IMU設(shè)計(jì)讓機(jī)器人站穩(wěn)

講到IMU，似乎與HERMES人形機(jī)器人無關(guān)，不過客制化IMU能讓設(shè)計(jì)工程師維持擁有天生不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)軌跡（motion profile）的機(jī)器人之穩(wěn)定性；例如為Ballbot設(shè)計(jì)的客制化IMU，能為這種本來形狀就無法「站穩(wěn)」的機(jī)器人，帶來維持穩(wěn)定所需的精確度。

在校準(zhǔn)IMU之前需要先校準(zhǔn)ADC，這有助于簡化IMU的校準(zhǔn)，只需要簡單的設(shè)備就能完成；Kalman濾波器在此是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合以及精確角度估算輸出的關(guān)鍵，并能讓機(jī)器人完美平衡。Kalman濾波器也能去除陀螺儀訊號漂移，以及可能會(huì)讓加速度計(jì)失誤的移動(dòng)加速噪聲。

{xa， ya}兩個(gè)軸代表是加速度計(jì)敏感度，與陀螺儀耦合，量測環(huán)繞加速度計(jì)軸的角速度（angular velocities）。（來源：參考數(shù)據(jù)2）

Kalman濾波器

Kalman濾波器能過濾噪聲，產(chǎn)生不可觀察的狀態(tài)（non-observable state），并預(yù)測未來狀態(tài)；過濾噪聲非常重要，因?yàn)楹芏鄠鞲衅鞯妮敵鲈肼暥继?，無法直接使用；Kalman濾波器能讓設(shè)計(jì)工程師計(jì)算不確定的訊號/狀態(tài)，一個(gè)重要的應(yīng)用是生成估計(jì)速度所需的不可觀察狀態(tài)。

通常在機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)上都會(huì)有位置傳感器（編碼器），不過簡單地區(qū)分位置以取得速度，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生噪聲；Kalman濾波器能被應(yīng)用于估算速度，另一個(gè)不錯(cuò)的功能是能被用來預(yù)測未來狀態(tài)，這在傳感器回饋的時(shí)間延遲特別大的時(shí)候很有用，時(shí)間延遲會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。

HERMES系統(tǒng)的控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

人類操作員會(huì)需要能無縫的虛擬遠(yuǎn)程臨場（telepresence），才能讓機(jī)器人在危險(xiǎn)環(huán)境執(zhí)行困難的、原本只能靠人類的靈巧與聰明大腦才能完成的任務(wù)；而至關(guān)重要的是，整個(gè)回饋回路的動(dòng)力以及延遲必須以人形機(jī)器人密切管理。

我們在進(jìn)行動(dòng)作訓(xùn)練時(shí)，必須要先了解產(chǎn)生某個(gè)動(dòng)作的基本原理；在這種案例中，人類本體感受的反射，也就是讓身體能正常運(yùn)作的肌肉、關(guān)節(jié)與神經(jīng)肌肉系統(tǒng)之間的聚合，需要50~100ms的反應(yīng)時(shí)間，而視覺處理反應(yīng)時(shí)間約是200~250ms。這種了解有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作員在遠(yuǎn)程操控機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)，就像他們自己在現(xiàn)場一樣。

MIT的設(shè)計(jì)工程師估計(jì)，在平衡回饋信息顯示為施加于操作員髖部的力道之策略方面，訓(xùn)練后的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)該要藉于人類本體感受反射以及視覺處理之間；為了以非視覺方法證明髖部的力道回饋策略，會(huì)以髖部位置量測參考。代表人類本體在髖部感受到的力道輸入以及視覺輸入。

HERMES系統(tǒng)與人類操作員的回饋回路圖，操作員以腰部的非視覺力道回饋來穩(wěn)定平衡回饋回路中的機(jī)器人（粗線箭頭）；而細(xì)線箭頭指示的是視覺數(shù)據(jù)以及更高層級感知規(guī)劃的回饋路徑。（來源：參考數(shù)據(jù)3）

圖為來自髖部本體感覺刺激力道以及視覺刺激階梯輸入訊號的人類髖部移位。（來源：參考數(shù)據(jù)3）

人類-機(jī)器人之平衡回饋回路的事件傳遞流程。（來源：參考數(shù)據(jù)3）