IHMC佛羅里達(dá)州人機(jī)認(rèn)知研究所（Florida Institute for Human & Machine Cognition，IHMC）是世界上最為頂尖的研究雙足人形機(jī)器人步行運(yùn)動(dòng)控制的研究所之一。自2015年以來(lái)，IHMC的研究包括Boston Dynamics Atlas（DRC版）和NASA Valkyrie —— 在推動(dòng)這些平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可靠的機(jī)動(dòng)性和操縱性方面取得了重大進(jìn)展。但從根本上講，當(dāng)涉及到具有與人類相當(dāng)?shù)牧α?、速度和靈活性的類人機(jī)器人時(shí)，還沒(méi)有很多好的替代選擇。

幾年前，IHMC決定是時(shí)候從頭開(kāi)始建造自己的機(jī)器人了，2019年，我們（作者，以下簡(jiǎn)稱我）看到了Nadia的一些非?？岬母拍?—— 一個(gè)人形機(jī)器人，可以在人類環(huán)境中以人類的速度執(zhí)行有用的任務(wù)。經(jīng)過(guò)了16個(gè)測(cè)試版本的實(shí)驗(yàn)，Nadia現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個(gè)真正的機(jī)器人，它看起來(lái)已經(jīng)相當(dāng)令人印象深刻了。

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For a long time, we’ve been pushing up against the limits of the hardware with DRC Atlas and Valkyrie. We haven’t been able to fully explore the limits of our software and our controls. With Nadia, it’s the other way around, which is really exciting from a research perspective.
—Robert Griffin, IHMC

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Nadia的設(shè)計(jì)本質(zhì)上是DRC Atlas和Valkyrie的下一代產(chǎn)品，它更快、更靈活、更穩(wěn)定，足以成為一個(gè)優(yōu)秀的研究平臺(tái)。它是電動(dòng)和液壓致動(dòng)器的混合：7自由度（DoF）電動(dòng)臂和3自由度電動(dòng)骨盆，以及2自由度液壓軀干和5自由度液壓腿。液壓系統(tǒng)是集成的智能執(zhí)行器。Nadia的關(guān)節(jié)被安排為最大限度地?cái)U(kuò)大運(yùn)動(dòng)范圍，這意味著它的前方有一個(gè)密集的操作空間（在真正重要的地方）以及高度靈活的腿。并且，覆蓋大部分機(jī)器人的碳纖維外殼可以與環(huán)境安全接觸。

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這一大型操縱工作區(qū)特別重要，因?yàn)樗浅?qiáng)調(diào)與Nadia的沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)遙操作。并不是說(shuō)自主并不重要，但Nadia背后的概念是由IHMC在DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽決賽中的經(jīng)驗(yàn)形成的（至少部分如此）：理想情況下，機(jī)器人能夠自己管理一切，同時(shí)讓人能夠更直接地控制復(fù)雜的任務(wù)。雖然機(jī)器人完全自主并不是幻想，但事實(shí)是，在近期內(nèi)，這種方法是一種立即可行的方法，可以讓機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中可靠地做有用的事情。總的來(lái)說(shuō)，Nadia的目標(biāo)是在執(zhí)行城市探索和操縱任務(wù)時(shí)，盡可能接近人類的速度。如果這涉及到人類直接遠(yuǎn)程操作機(jī)器人，或稱為做事情的最佳方式，那么Nadia就是設(shè)計(jì)來(lái)處理它的。

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關(guān)于Nadia的更多細(xì)節(jié)，我們采訪了IHMC的研究科學(xué)家Robert Griffin。

Q

IEEE Spectrum：Nadia在人形機(jī)器人中是如何獨(dú)樹(shù)一幟的？

Robert Griffin：我認(rèn)為，Nadia的一大特點(diǎn)是，很多關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度都非常大。Nadia與其他許多人形機(jī)器人的區(qū)別不僅僅在于運(yùn)動(dòng)范圍，還在于速度和力量。Nadia的推重比比DRC Atlas高得多，速度明顯更快，從而提高了其總體運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。

Q

能把你和Nadia的目標(biāo)放到類人機(jī)器人領(lǐng)域嗎？

Robert Griffin：我們正在努力讓Nadia成為一個(gè)可以在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的機(jī)器人，在這種環(huán)境中，你不知道它需要提前做什么。因此，我們正在嘗試構(gòu)建一個(gè)具有硬件、軟件和接口的機(jī)器人，使人機(jī)團(tuán)隊(duì)能夠進(jìn)入未知環(huán)境，探索它，繪制它，然后執(zhí)行有意義的任務(wù)，而不是有一個(gè)固定的任務(wù)序列或數(shù)量。

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Q

IHMC以幫助DRC Atlas和Valkyrie等復(fù)雜的類人機(jī)器人移動(dòng)而聞名。這些經(jīng)歷是如何融入Nadia的設(shè)計(jì)的？

Robert Griffin：你說(shuō)得對(duì)，自DRC打造以來(lái)，我們一直與NASA JSC合作，當(dāng)你看到Valkyrie行走時(shí)，它正在使用的是IHMC軟件和控制器。當(dāng)談到將這些知識(shí)應(yīng)用到Nadia身上時(shí)，我們特別關(guān)注其腿部的運(yùn)動(dòng)范圍。與許多人形平臺(tái)不同，Nadia有很好的髖關(guān)節(jié)滾動(dòng)（或內(nèi)收）設(shè)置，這意味著它可以做非常寬的步態(tài)，也可以在腳重疊的地方做非常窄的步態(tài)。我們認(rèn)為，這將有助于通過(guò)調(diào)整步幅和達(dá)到具有挑戰(zhàn)性的立足點(diǎn)來(lái)提高靈活性。

除了硬件之外，我們還能夠使用我們的模擬工具和控制堆棧來(lái)真正幫助我們指定完成這些任務(wù)所需的硬件設(shè)計(jì)。目前，我們無(wú)法優(yōu)化機(jī)器人的所有關(guān)節(jié)，我們幾乎只能在腿上安裝一個(gè)液壓活塞，但我們希望未來(lái)的設(shè)計(jì)能夠更好地集成和優(yōu)化。與許多人形機(jī)器人的區(qū)別在于，我們有全腳踝驅(qū)動(dòng)。我們的方法從一開(kāi)始就是用Nadia的腳完成必要的控制權(quán)，以便能夠進(jìn)行精確的腳部放置，并利用它實(shí)現(xiàn)相對(duì)快速的反應(yīng)性移動(dòng)。

Q

對(duì)于Nadia從概念到硬件的過(guò)度中，你必須做出什么妥協(xié)？

Robert Griffin：雖然機(jī)器人已經(jīng)做出了許多改進(jìn)，但仍舊不像普通人那樣靈活。我很驚訝的是，僅僅是因?yàn)橐簤很浌懿季€，我們就失去了一些機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)范圍，特別是在臀部周圍，我們想避免在機(jī)器人上懸掛大環(huán)圈的軟管。我們最終想把Nadia帶入現(xiàn)實(shí)世界，所以不希望被這些東西牽絆住。

Nadia在某些關(guān)節(jié)上不如人類快，而在某些關(guān)節(jié)則更快。我們希望在未來(lái)能使其更緊湊一些 —— 我們的重量還差了一點(diǎn)，現(xiàn)在大約是90公斤，不包括液壓泵或電池。

Q

為什么你決定關(guān)注人類如何在VR中直接控制Nadia，而不是更加強(qiáng)調(diào)自主？

Robert Griffin：當(dāng)你知道操作條件是什么，以及你想實(shí)現(xiàn)什么時(shí)，自主性就會(huì)非常非常好地發(fā)揮作用。并不是說(shuō)自動(dòng)化很容易實(shí)現(xiàn)，但它是可行的。我們已經(jīng)嘗試了一些自主規(guī)劃和操作，發(fā)現(xiàn)這有一點(diǎn)限制，因?yàn)樗鼪](méi)有充分利用我們平臺(tái)的全部功能。因此，我們正在努力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的自動(dòng)化，比如足跡規(guī)劃和抓取規(guī)劃，這些都可以很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但我們還需要與新環(huán)境交互的能力，這就是為什么我們正致力于開(kāi)發(fā)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)等界面與人類合作的方法。人類的認(rèn)知能力與機(jī)器人的操作能力相結(jié)合，我們相信你會(huì)獲得大量的多功能性。

Q

在VR中控制Nadia有多大區(qū)別，硬件具有人性化的靈活性和人性化的工作空間？

Robert Griffin：對(duì)于操縱來(lái)說(shuō)，它是巨大的。我們不希望用戶操作機(jī)器人，因?yàn)闄C(jī)器人的限制而感覺(jué)自己的能力受到限制。我們?cè)贜adia上所能做的很多操作是在其他平臺(tái)上都做不到的。

當(dāng)然，這存在著一些權(quán)衡 —— 手臂的設(shè)計(jì)更注重速度，而不是力量，這會(huì)有一點(diǎn)限制，但我們希望能長(zhǎng)期改進(jìn)。我認(rèn)為，設(shè)計(jì)機(jī)器人，特別是控制系統(tǒng)和軟件架構(gòu)時(shí)，考慮到讓人來(lái)操作它，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多功能，我們希望這些功能能夠讓我們快速迭代許多不同的路徑。

Q

Nadia將有哪些獨(dú)特的能力？

Robert Griffin：我們希望機(jī)器人能夠獨(dú)特地進(jìn)行多觸點(diǎn)移動(dòng)，這是我們真正希望能夠發(fā)展的方向。但我并不想說(shuō)它會(huì)比其他機(jī)器人更好，因?yàn)槲也恢牢磥?lái)其他機(jī)器人能做些什么。

Q

您是否希望Nadia在未來(lái)某個(gè)時(shí)候能夠完成一些實(shí)際任務(wù)？

Robert Griffin：像災(zāi)難響應(yīng)、核修復(fù)、炸彈處理這些任務(wù)現(xiàn)在大部分都是由人來(lái)完成的，因?yàn)槲覀儧](méi)有真正能夠勝任這些任務(wù)的機(jī)器人，盡管機(jī)器人專家已經(jīng)花了大量時(shí)間在這方面。我認(rèn)為，通過(guò)與優(yōu)秀的機(jī)器人工程技術(shù)、令人難以置信的操作界面和人類認(rèn)知能力的合作，這些任務(wù)未來(lái)將由機(jī)器人來(lái)完成。

盡管Nadia是一個(gè)全新的機(jī)器人，但I(xiàn)HMC已經(jīng)計(jì)劃了對(duì)其進(jìn)行一系列升級(jí)，最明顯的是在Nadia的軀干上放置電池和定制液壓泵，另外還包括更高扭矩的手臂和更輕、更流線型的腿。與此同時(shí)，為了讓Nadia充分發(fā)揮其潛力，軟件部分也還有很多工作要做。