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320預(yù)計(jì)在2023年，由歐洲航天局和德國航天中心領(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音、手勢、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。
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)想一個這樣的場景，在未來，機(jī)器人可以去探索和開發(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)器人探測器，他們現(xiàn)在重點(diǎn)研究解決這樣一個問題：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)器人的操作過程高度自動化，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算法也不能讓機(jī)器人做到完全不出錯。如果任務(wù)出現(xiàn)問題，或者需要機(jī)器人應(yīng)對沒有提前計(jì)劃好的情況時，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下到車間里解決問題，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，那么這次旅行將會十分的危險和昂貴。
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，進(jìn)而精確測量出力的大小，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
在國際空間站，宇航員Luca Parmitano通過電腦屏幕看到了機(jī)器人所拍攝的畫面，他可以移動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，他通過移動和打開自己的手來移動機(jī)械臂并打開機(jī)器人的夾鉗，能夠擁有接觸地面的感覺，并能感受到巖石樣本有多重，這些對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，國際空間站的低寬帶限制了視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量；第二，國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，信息延遲可能會讓機(jī)器人陷入危險的境地，造成機(jī)器人的損壞。比如，由于宇航員收到機(jī)器人的反饋過慢，可能會施加比他設(shè)想的更多的力，讓機(jī)器人不能面對真實(shí)環(huán)境，加大了被損壞的風(fēng)險。
▲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問題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種名為TDPA-HD的控制方法，它可以檢測宇航員施加的能量，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它輸出的力。
在宇航員端，TDPA-HD減少了對操作者的力反饋，因此傳遞給宇航員的能量不會多于從環(huán)境中測得的量。這維持了系統(tǒng)的穩(wěn)定，意味著宇航員不會命令機(jī)器人，對環(huán)境施加比他們設(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、控制者直接遠(yuǎn)程操縱、在處理如意外錯誤和信息延遲時更有效?？刂普叱蔀榱艘粋€監(jiān)督者，如果機(jī)器人遇到問題，人類可以介入其中并幫助它完成任務(wù)。
不過宇航員反饋說，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、高自動化卻帶來高工作量？不符科學(xué)家預(yù)期
2022年6月到7月，研究團(tuán)隊(duì)參加了由德國航天局在埃特納山進(jìn)行的ARCHES試驗(yàn)活動。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)畫面
這是他們在“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只能通過機(jī)器人的攝像頭和操縱桿進(jìn)行觀察和運(yùn)動，這一次Thomas擁有一個互動地圖，他可以在上面進(jìn)行標(biāo)記，讓機(jī)器人自動駛向標(biāo)記點(diǎn)。
與2019年通過力反饋控制機(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)）的幫助下自動檢測和收集石頭。
從現(xiàn)實(shí)環(huán)境中測試研發(fā)的新功能，讓研究人員收獲了很多。特別是，自動化程度越高并不意味著宇航員的工作量越低，這個假設(shè)并不總是對的。
與宇航員經(jīng)常使用自動采集樣本相比，自動導(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對自動系統(tǒng)信任度低，得到反饋的時間較長等。
未來，科學(xué)家希望能夠測試一個真正擴(kuò)展自主的、多機(jī)器人的場景，為此他們啟動了Surface Avatar項(xiàng)目——在一個大規(guī)模的火星模擬環(huán)境中，國際空間站的宇航員將在地面上指揮一個由四個機(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)將是這個研究團(tuán)隊(duì)迄今為止最復(fù)雜的國際空間站遠(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：機(jī)器人或會在月球上與我們“隔空相望”
上述的科學(xué)場景在未來的月球和火星任務(wù)中可能會出現(xiàn)。對人類和機(jī)器來說，太空是一個充滿很多未知與困難的地方。未來我們進(jìn)行太陽系的探測時，在派人類執(zhí)行任務(wù)之前，可能需要先發(fā)射機(jī)器人探測器到未知行星上探測水域。
在這之前，其他行星的探測器都是由預(yù)編程軟件以及科學(xué)家從地面發(fā)送指令控制的，傳輸時間較長。我們通過提高機(jī)器人的自主性，提高了宇航員執(zhí)行任務(wù)的科學(xué)回報率，并避免了人類登陸其他星球帶來的潛在污染。
此外，這個研究對操作者在遠(yuǎn)處指揮機(jī)器人團(tuán)隊(duì)具有一般性參考價值，例如維護(hù)太陽能和風(fēng)能園區(qū)和搜索和救援任務(wù)等。
