Nadia在人形机器人中如何独树一帜

佛罗里达州人机认知研究所（Florida Instu for Human & Machine CogniTIon，IHMC）是世界上最为顶尖的研究双足人形步行运动控制的研究所之一。自2015年以来，IHMC的研究包括Boston Dynamics Atlas（DRC版）和A Valkyrie —— 在推动这些平台实现可靠的机动性和操纵性方面取得了重大进展。但从根本上讲，当涉及到具有与人类相当的力量、速度和灵活性的类人机器人时，还没有很多好的替代选择。

几年前，IHMC决定是时候从头开始建造自己的机器人了，2019年，我们（作者，以下简称我）看到了Nadia的一些非常酷的概念 —— 一个人形机器人，可以在人类环境中以人类的速度执行有用的任务。经过了16个测试版本的实验，Nadia现在已经成为了一个真正的机器人，它看起来已经相当令人印象深刻了。

Nadia的设计本质上是DRC Atlas和Valkyrie的下一代产品，它更快、更灵活、更稳定，足以成为一个优秀的研究平台。它是电动和液压致动器的混合：7自由度（DoF）电动臂和3自由度电动骨盆，以及2自由度液压躯干和5自由度液压腿。液压系统是集成的智能执行器。Nadia的关节被安排为最大限度地扩大运动范围，这意味着它的前方有一个密集的操作空间（在真正重要的地方）以及高度灵活的腿。并且，覆盖大部分机器人的碳纤维外壳可以与环境安全接触。

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这一大型操纵工作区特别重要，因为它非常强调与Nadia的沉浸式虚拟现实遥操作。并不是说自主并不重要，但Nadia背后的概念是由IHMC在DARPA机器人挑战赛决赛中的经验形成的（至少部分如此）：理想情况下，机器人能够自己管理一切，同时让人能够更直接地控制复杂的任务。虽然机器人完全自主并不是幻想，但事实是，在近期内，这种方法是一种立即可行的方法，可以让机器人在非结构化环境中可靠地做有用的事情。总的来说，Nadia的目标是在执行城市探索和操纵任务时，尽可能接近人类的速度。如果这涉及到人类直接远程操作机器人，或称为做事情的最佳方式，那么Nadia就是设计来处理它的。

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关于Nadia的更多细节，我们采访了IHMC的研究科学家Robert Griffin。

Q

IEEE Spectrum：Nadia在人形机器人中是如何独树一帜的？

Robert Griffin：我认为，Nadia的一大特点是，很多关节的运动幅度都非常大。Nadia与其他许多人形机器人的区别不仅仅在于运动范围，还在于速度和力量。Nadia的推重比比DRC Atlas高得多，速度明显更快，从而提高了其总体运行速度和稳定性。

Q

能把你和Nadia的目标放到类人机器人领域吗？

Robert Griffin：我们正在努力让Nadia成为一个可以在非结构化环境中工作的机器人，在这种环境中，你不知道它需要提前做什么。因此，我们正在尝试构建一个具有硬件、软件和接口的机器人，使人机团队能够进入未知环境，探索它，绘制它，然后执行有意义的任务，而不是有一个固定的任务序列或数量。

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Q

IHMC以帮助DRC Atlas和Valkyrie等复杂的类人机器人移动而闻名。这些经历是如何融入Nadia的设计的？

Robert Griffin：你说得对，自DRC打造以来，我们一直与NASA JSC合作，当你看到Valkyrie行走时，它正在使用的是IHMC软件和控制器。当谈到将这些知识应用到Nadia身上时，我们特别关注其腿部的运动范围。与许多人形平台不同，Nadia有很好的髋关节滚动（或内收）设置，这意味着它可以做非常宽的步态，也可以在脚重叠的地方做非常窄的步态。我们认为，这将有助于通过调整步幅和达到具有挑战性的立足点来提高灵活性。

除了硬件之外，我们还能够使用我们的工具和控制堆栈来真正帮助我们指定完成这些任务所需的硬件设计。目前，我们无法优化机器人的所有关节，我们几乎只能在腿上安装一个液压活塞，但我们希望未来的设计能够更好地集成和优化。与许多人形机器人的区别在于，我们有全脚踝驱动。我们的方法从一开始就是用Nadia的脚完成必要的控制权，以便能够进行精确的脚部放置，并利用它实现相对快速的反应性移动。

Q

对于Nadia从概念到硬件的过度中，你必须做出什么妥协？

Robert Griffin：虽然机器人已经做出了许多改进，但仍旧不像普通人那样灵活。我很惊讶的是，仅仅是因为液压软管布线，我们就失去了一些机械装置的运动范围，特别是在臀部周围，我们想避免在机器人上悬挂大环圈的软管。我们最终想把Nadia带入现实世界，所以不希望被这些东西牵绊住。

Nadia在某些关节上不如人类快，而在某些关节则更快。我们希望在未来能使其更紧凑一些 —— 我们的重量还差了一点，现在大约是90公斤，不包括液压泵或电池。

Q

为什么你决定关注人类如何在VR中直接控制Nadia，而不是更加强调自主？

Robert Griffin：当你知道操作条件是什么，以及你想实现什么时，自主性就会非常非常好地发挥作用。并不是说自动化很容易实现，但它是可行的。我们已经尝试了一些自主规划和操作，发现这有一点限制，因为它没有充分利用我们平台的全部功能。因此，我们正在努力实现系统中关键部分的自动化，比如足迹规划和抓取规划，这些都可以很好地实现自动化。但我们还需要与新环境交互的能力，这就是为什么我们正致力于开发通过虚拟现实等界面与人类合作的方法。人类的认知能力与机器人的操作能力相结合，我们相信你会获得大量的多功能性。

Q

在VR中控制Nadia有多大区别，硬件具有人性化的灵活性和人性化的工作空间？

Robert Griffin：对于操纵来说，它是巨大的。我们不希望用户操作机器人，因为机器人的限制而感觉自己的能力受到限制。我们在Nadia上所能做的很多操作是在其他平台上都做不到的。

当然，这存在着一些权衡 —— 手臂的设计更注重速度，而不是力量，这会有一点限制，但我们希望能长期改进。我认为，设计机器人，特别是控制系统和软件架构时，考虑到让人来操作它，已经开发出了很多功能，我们希望这些功能能够让我们快速迭代许多不同的路径。

Q

Nadia将有哪些独特的能力？

Robert Griffin：我们希望机器人能够独特地进行多触点移动，这是我们真正希望能够发展的方向。但我并不想说它会比其他机器人更好，因为我不知道未来其他机器人能做些什么。

Q

您是否希望Nadia在未来某个时候能够完成一些实际任务？

Robert Griffin：像灾难响应、核修复、炸弹处理这些任务现在大部分都是由人来完成的，因为我们没有真正能够胜任这些任务的机器人，尽管机器人专家已经花了大量时间在这方面。我认为，通过与优秀的机器人工程技术、令人难以置信的操作界面和人类认知能力的合作，这些任务未来将由机器人来完成。

尽管Nadia是一个全新的机器人，但IHMC已经计划了对其进行一系列升级，最明显的是在Nadia的躯干上放置电池和定制液压泵，另外还包括更高扭矩的手臂和更轻、更流线型的腿。与此同时，为了让Nadia充分发挥其潜力，软件部分也还有很多工作要做。