IHMC佛羅里達州人機認知研究所（Florida Institute for Human & Machine Cognition，IHMC）是世界上最為頂尖的研究雙足人形機器人步行運動控制的研究所之一。自2015年以來，IHMC的研究包括Boston Dynamics Atlas（DRC版）和NASA Valkyrie —— 在推動這些平臺實現(xiàn)可靠的機動性和操縱性方面取得了重大進展。但從根本上講，當涉及到具有與人類相當?shù)牧α?、速度和靈活性的類人機器人時，還沒有很多好的替代選擇。

幾年前，IHMC決定是時候從頭開始建造自己的機器人了，2019年，我們（作者，以下簡稱我）看到了Nadia的一些非?？岬母拍?—— 一個人形機器人，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)過了16個測試版本的實驗，Nadia現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個真正的機器人，它看起來已經(jīng)相當令人印象深刻了。

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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，足以成為一個優(yōu)秀的研究平臺。它是電動和液壓致動器的混合：7自由度（DoF）電動臂和3自由度電動骨盆，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擴大運動范圍，這意味著它的前方有一個密集的操作空間（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，因為它非常強調(diào)與Nadia的沉浸式虛擬現(xiàn)實遙操作。并不是說自主并不重要，但Nadia背后的概念是由IHMC在DARPA機器人挑戰(zhàn)賽決賽中的經(jīng)驗形成的（至少部分如此）：理想情況下，機器人能夠自己管理一切，同時讓人能夠更直接地控制復(fù)雜的任務(wù)。雖然機器人完全自主并不是幻想，但事實是，在近期內(nèi)，這種方法是一種立即可行的方法，可以讓機器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中可靠地做有用的事情?？偟膩碚f，Nadia的目標是在執(zhí)行城市探索和操縱任務(wù)時，盡可能接近人類的速度。如果這涉及到人類直接遠程操作機器人，或稱為做事情的最佳方式，那么Nadia就是設(shè)計來處理它的。

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IHMC

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

Q

IEEE Spectrum：Nadia在人形機器人中是如何獨樹一幟的？

Robert Griffin：我認為，Nadia的一大特點是，很多關(guān)節(jié)的運動幅度都非常大。Nadia與其他許多人形機器人的區(qū)別不僅僅在于運動范圍，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行速度和穩(wěn)定性。

Q

能把你和Nadia的目標放到類人機器人領(lǐng)域嗎？

Robert Griffin：我們正在努力讓Nadia成為一個可以在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的機器人，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)建一個具有硬件、軟件和接口的機器人，使人機團隊能夠進入未知環(huán)境，探索它，繪制它，然后執(zhí)行有意義的任務(wù)，而不是有一個固定的任務(wù)序列或數(shù)量。

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IHMC

Q

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

Robert Griffin：你說得對，自DRC打造以來，我們一直與NASA JSC合作，當你看到Valkyrie行走時，它正在使用的是IHMC軟件和控制器。當談到將這些知識應(yīng)用到Nadia身上時，我們特別關(guān)注其腿部的運動范圍。與許多人形平臺不同，Nadia有很好的髖關(guān)節(jié)滾動（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)。我們認為，這將有助于通過調(diào)整步幅和達到具有挑戰(zhàn)性的立足點來提高靈活性。

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真正幫助我們指定完成這些任務(wù)所需的硬件設(shè)計。目前，我們無法優(yōu)化機器人的所有關(guān)節(jié)，我們幾乎只能在腿上安裝一個液壓活塞，但我們希望未來的設(shè)計能夠更好地集成和優(yōu)化。與許多人形機器人的區(qū)別在于，我們有全腳踝驅(qū)動。我們的方法從一開始就是用Nadia的腳完成必要的控制權(quán)，以便能夠進行精確的腳部放置，并利用它實現(xiàn)相對快速的反應(yīng)性移動。

Q

對于Nadia從概念到硬件的過度中，你必須做出什么妥協(xié)？

Robert Griffin：雖然機器人已經(jīng)做出了許多改進，但仍舊不像普通人那樣靈活。我很驚訝的是，僅僅是因為液壓軟管布線，我們就失去了一些機械裝置的運動范圍，特別是在臀部周圍，我們想避免在機器人上懸掛大環(huán)圈的軟管。我們最終想把Nadia帶入現(xiàn)實世界，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。我們希望在未來能使其更緊湊一些 —— 我們的重量還差了一點，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，而不是更加強調(diào)自主？

Robert Griffin：當你知道操作條件是什么，以及你想實現(xiàn)什么時，自主性就會非常非常好地發(fā)揮作用。并不是說自動化很容易實現(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)這有一點限制，因為它沒有充分利用我們平臺的全部功能。因此，我們正在努力實現(xiàn)系統(tǒng)中關(guān)鍵部分的自動化，比如足跡規(guī)劃和抓取規(guī)劃，這些都可以很好地實現(xiàn)自動化。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發(fā)通過虛擬現(xiàn)實等界面與人類合作的方法。人類的認知能力與機器人的操作能力相結(jié)合，我們相信你會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：對于操縱來說，它是巨大的。我們不希望用戶操作機器人，因為機器人的限制而感覺自己的能力受到限制。我們在Nadia上所能做的很多操作是在其他平臺上都做不到的。

當然，這存在著一些權(quán)衡 —— 手臂的設(shè)計更注重速度，而不是力量，這會有一點限制，但我們希望能長期改進。我認為，設(shè)計機器人，特別是控制系統(tǒng)和軟件架構(gòu)時，考慮到讓人來操作它，已經(jīng)開發(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將有哪些獨特的能力？

Robert Griffin：我們希望機器人能夠獨特地進行多觸點移動，這是我們真正希望能夠發(fā)展的方向。但我并不想說它會比其他機器人更好，因為我不知道未來其他機器人能做些什么。

Q

您是否希望Nadia在未來某個時候能夠完成一些實際任務(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完成的，因為我們沒有真正能夠勝任這些任務(wù)的機器人，盡管機器人專家已經(jīng)花了大量時間在這方面。我認為，通過與優(yōu)秀的機器人工程技術(shù)、令人難以置信的操作界面和人類認知能力的合作，這些任務(wù)未來將由機器人來完成。

盡管Nadia是一個全新的機器人，但IHMC已經(jīng)計劃了對其進行一系列升級，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，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。