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(duì)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。

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(cè)。

慣性量測(cè)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(píng)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）

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(hào)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(cè)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(cè)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(hào)/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(cè)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。

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?cè)谶M(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(cè)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(jí)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(hào)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）