編譯 | 劉柏涵

編輯 | 程茜

智東西 9 月 27 日消息，預(yù)計(jì)在 2023 年，由歐洲航天局和德國(guó)航天中心領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行 Surface Avatar 項(xiàng)目的第一次大型太空機(jī)器人試驗(yàn)。此項(xiàng)目將探究機(jī)器人團(tuán)隊(duì)在行星表面上執(zhí)行協(xié)作任務(wù)的可行性 ，并研究宇航員如何利用語(yǔ)音、手勢(shì)、視線跟蹤等多模態(tài)用戶界面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人。

此前，該研究團(tuán)隊(duì)參與了在埃特納山的 ARCHES 試驗(yàn)活動(dòng)，完成了機(jī)器人探測(cè)器自動(dòng)駛向宇航員設(shè)定的標(biāo)記點(diǎn)和利用神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)采集樣本等任務(wù)。

一、宇航員 " 化身 " 機(jī)器人，遠(yuǎn)程登陸其他星球

我們可以設(shè)想一個(gè)這樣的場(chǎng)景，在未來(lái)，機(jī)器人可以去探索和開(kāi)發(fā)地球的附近的行星、衛(wèi)星和小行星，他們能在地球以外的星球表面采集樣本、構(gòu)造建筑和部署儀器等。

目前，此科研團(tuán)隊(duì)正在想辦法設(shè)計(jì)這種機(jī)器人探測(cè)器，他們現(xiàn)在重點(diǎn)研究解決這樣一個(gè)問(wèn)題：如何為宇航員提供工具，讓他們能夠輕松有效的操控機(jī)器人隊(duì)伍？

研究人員的普遍想法是讓機(jī)器人的操作過(guò)程高度自動(dòng)化，增加其可以完成的任務(wù)數(shù)量，降低宇航員的工作量。2017 年到 2018 年，研究團(tuán)隊(duì)完成了 SUPVIS Justin 實(shí)驗(yàn)，讓宇航員使用電腦向機(jī)器人發(fā)出高級(jí)指令，操縱機(jī)器人 Rollin ’ Justin 執(zhí)行了一系列導(dǎo)航、維護(hù)和修復(fù)工作。

這仿佛就像科幻電影一般，在飛船上的宇航員只需要用手點(diǎn)幾下，就能夠讓機(jī)器人自主規(guī)劃和執(zhí)行任務(wù)。

▲機(jī)器人 Rollin ’ Justin 正在執(zhí)行任務(wù)

但是，由于難以預(yù)測(cè)的的行星地表環(huán)境和刺眼的光照，哪怕是最好的物體探測(cè)算法也不能讓機(jī)器人做到完全不出錯(cuò)。如果任務(wù)出現(xiàn)問(wèn)題，或者需要機(jī)器人應(yīng)對(duì)沒(méi)有提前計(jì)劃好的情況時(shí)，我們應(yīng)該怎么做？

在地球上的工廠里，機(jī)器人的控制人員可能會(huì)下到車間里解決問(wèn)題，但是如果按照類似的模式，由空間站中的宇航員去星球上檢查情況，那么這次旅行將會(huì)十分的危險(xiǎn)和昂貴。

最好的辦法是我們把機(jī)器人作為宇航員在星球上的化身，讓宇航員沉浸在機(jī)器人身臨的環(huán)境中，看機(jī)器人所看，感機(jī)器人所感，指揮機(jī)器人完成任務(wù)。

二、力反饋裝置讓宇航員和機(jī)器人 " 感同身受 "

為檢驗(yàn)上述方法是否可行，2019 年 11 月，歐空局進(jìn)行了一項(xiàng)名為 ANALOG-1 的試驗(yàn)，以驗(yàn)證空間站宇航員和地面科學(xué)家是否能共同引導(dǎo)機(jī)器人完成模擬月球任務(wù)。

這個(gè)機(jī)器人搭載了兩條安有攝像頭的機(jī)械臂，還配備了抓取器、力矩傳感器，以及許多其他傳感器。力矩傳感器可以感受力矩的物理變化并將其轉(zhuǎn)化成可輸出理解的信號(hào)，進(jìn)而精確測(cè)量出力的大小，它是機(jī)械臂力反饋裝置的重要構(gòu)成元件，這個(gè)裝置可以讓宇航員和機(jī)器人 " 感同身受 "。

▲機(jī)器人雙臂正在移動(dòng)

在國(guó)際空間站，宇航員 Luca Parmitano 通過(guò)電腦屏幕看到了機(jī)器人所拍攝的畫(huà)面，他可以移動(dòng)攝像頭和使用定制的操縱桿設(shè)備。

他將手綁在操縱桿上，從而獲得機(jī)器人手臂的操作反饋，他通過(guò)移動(dòng)和打開(kāi)自己的手來(lái)移動(dòng)機(jī)械臂并打開(kāi)機(jī)器人的夾鉗，能夠擁有接觸地面的感覺(jué)，并能感受到巖石樣本有多重，這些對(duì)宇航員了解星球地表情況至關(guān)重要。

但是這種方法也要面臨諸多挑戰(zhàn)：第一，國(guó)際空間站的低寬帶限制了視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量；第二，國(guó)際空間站和其他星球距離遙遠(yuǎn)，宇航員和機(jī)器人的感受很難同步，信息延遲很可能導(dǎo)致傳統(tǒng)的力反饋遠(yuǎn)程操作變得不穩(wěn)定；第三，信息延遲可能會(huì)讓機(jī)器人陷入危險(xiǎn)的境地，造成機(jī)器人的損壞。比如，由于宇航員收到機(jī)器人的反饋過(guò)慢，可能會(huì)施加比他設(shè)想的更多的力，讓機(jī)器人不能面對(duì)真實(shí)環(huán)境，加大了被損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

▲宇航員 Luca Parmitano 正在空間站操縱地面機(jī)器人

為了解決信息延遲這個(gè)問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種名為 TDPA-HD 的控制方法，它可以檢測(cè)宇航員施加的能量，并將該數(shù)值和速度指令一起發(fā)送給機(jī)器人。在機(jī)器人端，它測(cè)量機(jī)器人施加的力，并降低速度，讓機(jī)器人向環(huán)境輸出的力小于宇航員對(duì)它輸出的力。

在宇航員端，TDPA-HD 減少了對(duì)操作者的力反饋，因此傳遞給宇航員的能量不會(huì)多于從環(huán)境中測(cè)得的量。這維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定，意味著宇航員不會(huì)命令機(jī)器人，對(duì)環(huán)境施加比他們?cè)O(shè)想的更多的力，保證了宇航員和機(jī)器人的安全。

科學(xué)家將這種操作方法稱為 " 監(jiān)督自主 "，比起機(jī)器人完全自主行動(dòng)、控制者直接遠(yuǎn)程操縱、在處理如意外錯(cuò)誤和信息延遲時(shí)更有效。控制者成為了一個(gè)監(jiān)督者，如果機(jī)器人遇到問(wèn)題，人類可以介入其中并幫助它完成任務(wù)。

不過(guò)宇航員反饋說(shuō)，這種 " 監(jiān)督自主 " 仍有局限性，沉浸感不足，他希望機(jī)器人可以完成更多的任務(wù)。

三、高自動(dòng)化卻帶來(lái)高工作量？不符科學(xué)家預(yù)期

2022 年 6 月到 7 月，研究團(tuán)隊(duì)參加了由德國(guó)航天局在埃特納山進(jìn)行的 ARCHES 試驗(yàn)活動(dòng)。前宇航員 Thomas Reiter 在埃特納山附近的卡塔尼亞鎮(zhèn)的控制室，控制處于海拔 2700 米的熔巖地帶的機(jī)器人。

▲ ARCHES 試驗(yàn)畫(huà)面

這是他們?cè)?" 擴(kuò)展自主 " 方面進(jìn)行的首次嘗試，意思就是允許宇航員根據(jù)任務(wù)增加或減少機(jī)器人的自主性。2019 年，宇航員 Luca 只能通過(guò)機(jī)器人的攝像頭和操縱桿進(jìn)行觀察和運(yùn)動(dòng)，這一次 Thomas 擁有一個(gè)互動(dòng)地圖，他可以在上面進(jìn)行標(biāo)記，讓機(jī)器人自動(dòng)駛向標(biāo)記點(diǎn)。

與 2019 年通過(guò)力反饋控制機(jī)器人機(jī)械臂相比，現(xiàn)在宇航員可以在 Mask R-CNN（基于區(qū)域的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的幫助下自動(dòng)檢測(cè)和收集石頭。

從現(xiàn)實(shí)環(huán)境中測(cè)試研發(fā)的新功能，讓研究人員收獲了很多。特別是，自動(dòng)化程度越高并不意味著宇航員的工作量越低，這個(gè)假設(shè)并不總是對(duì)的。

與宇航員經(jīng)常使用自動(dòng)采集樣本相比，自動(dòng)導(dǎo)航的使用頻率并不高，這意味著它比操縱桿駕駛更費(fèi)力。這可能是因?yàn)橛詈絾T對(duì)自動(dòng)系統(tǒng)信任度低，得到反饋的時(shí)間較長(zhǎng)等。

未來(lái)，科學(xué)家希望能夠測(cè)試一個(gè)真正擴(kuò)展自主的、多機(jī)器人的場(chǎng)景，為此他們啟動(dòng)了 Surface Avatar 項(xiàng)目——在一個(gè)大規(guī)模的火星模擬環(huán)境中，國(guó)際空間站的宇航員將在地面上指揮一個(gè)由四個(gè)機(jī)器人組成的團(tuán)隊(duì)。

2022 年 6 月，宇航員 Samantha Christoforetti 和 Jessica Watkins 進(jìn)行了 Surface Avatar 項(xiàng)目的初步測(cè)試，第一次大型實(shí)驗(yàn)計(jì)劃將于 2023 年進(jìn)行，這次實(shí)驗(yàn)將是這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)迄今為止最復(fù)雜的國(guó)際空間站遠(yuǎn)程機(jī)器人任務(wù)。

▲宇航員 Samantha Christoforetti 正在進(jìn)行試驗(yàn)

結(jié)語(yǔ)：機(jī)器人或會(huì)在月球上與我們 " 隔空相望 "

上述的科學(xué)場(chǎng)景在未來(lái)的月球和火星任務(wù)中可能會(huì)出現(xiàn)。對(duì)人類和機(jī)器來(lái)說(shuō)，太空是一個(gè)充滿很多未知與困難的地方。未來(lái)我們進(jìn)行太陽(yáng)系的探測(cè)時(shí)，在派人類執(zhí)行任務(wù)之前，可能需要先發(fā)射機(jī)器人探測(cè)器到未知行星上探測(cè)水域。

在這之前，其他行星的探測(cè)器都是由預(yù)編程軟件以及科學(xué)家從地面發(fā)送指令控制的，傳輸時(shí)間較長(zhǎng)。我們通過(guò)提高機(jī)器人的自主性，提高了宇航員執(zhí)行任務(wù)的科學(xué)回報(bào)率，并避免了人類登陸其他星球帶來(lái)的潛在污染。

此外，這個(gè)研究對(duì)操作者在遠(yuǎn)處指揮機(jī)器人團(tuán)隊(duì)具有一般性參考價(jià)值，例如維護(hù)太陽(yáng)能和風(fēng)能園區(qū)和搜索和救援任務(wù)等。

來(lái)源：Robohub