迪士尼Imagineering要把Groot机器人带进现实

Image: Walt Disney Imagineering

Kiwi项目是一个定制的两足人类机器人,旨在将幻想人物带入生活。

从我(作者,以下简称我)所看到的仿人机器人学来看,在研究领域的人们传统上称之为机器人学和动画电子技术之间存在着相当大的分歧,后者更倾向于角色驱动。

I’m Grrrrot!

迪士尼秘密研究多年机器人技术,即将用于漫威影史最萌角色小格鲁特 (baby groot) 身上。

在Walt Disney Imagineering内部开发、设计主题乐园景点的幻想工程研发部门(Imagineering 这个词是由 Imagine (幻想) 和 Engineering (工程) 合而生成,所以这个部门可以被译为幻想工程部。),当中负责研发小型机器人的Kiwi项目,历经三年多不断地测试后,近日便带来了最新可自行移动、发挥功能的Groot (格鲁特)机器人。

该团队选择从最接近漫画角色人物的拟人机器人着手研究,因为他们明白不同场景下的应用潜力并非他们所追求的,如何让机器做到像人一样真实自如才是最终目标。

从单条腿起步,模仿人类的行走时的动作屈伸;很快就实现了双腿行走和小跑,这时的动作,已经很接近人类活动时的样子,髋关节、膝关节、踝关节协同运动,在保持身姿平衡的同时,姿态更接近于人。

Kiwi项目计划打造一种无系带的两足类人机器人,迪士尼想象工程公司设计的这种机器人不仅能行走而不摔倒,还可通过真实方式将较小的角色变成现实。Kiwi大约有0.75米高,比NAO大一点,比iCub小一点,而且它几乎完全自给自足,你在视频中看到的绳索是用来控制而不是用来发电的。Kiwi的续航操作时间有45分钟,这是相当令人印象深刻的。考虑到它的大小和实际设定,它还囊括了惊人的50个自由度,这对于逼真的运动要求来说非常棒。

这个版本的机器人只是一个原型,听起来在硬件优化方面还有很多工作要做,以提高效率,增加感知和交互性。最令人惊讶的是,这不是一个舞台机器人:迪士尼确实计划有一些未来版本的Kiwi在周围游荡,并直接与公园的客人互动 —— 我相信你可以想象的出这是怎么回事。

在这个层次上的互动,可能包含了巨大的风险,小孩子与机器人在处理“拥抱”时,这对机器人的要求非常复杂。这也是环球影城(Universal Studios)决定尝试蒸汽朋克(Steampunk)地点时,他们需要建造自己的机器人的原因之一,例如,他们必须在它和任何潜在拥抱之间加上一道栅栏和一排盆栽植物,因为Spot并不是一个拥抱安全的机器人。

那么,如何从零开始设计一个具有个性和安全人机交互的仿人机器人的呢?我们请Kiwi项目负责人Scott LaValley解释了他们是如何成功的。

IEEE Spectrum:迪斯尼的用例中有哪些约束意味着你必须从头开始开发自己的平台?

Scott LaValley:首先,我们必须考虑外形包装的限制。我们的机器人一直被设计成一个两足角色平台,能够扮演各种小角色。虽然我们有时可以在艺术上自由发挥,但在大多数情况下,机电设计必须符合最小的角色轮廓,以使机器人能够完全以外壳、皮肤和服装为主题。在确定项目的范围时,与我们的尺寸约束匹配的高性能两足动物并不存在。

同样重要的是动作的风格和个性,或“运动的情感”的能力。要真正捕捉到一个特定的角色表现,一个机器人平台必须能够从快速的运动表达和缓慢又微妙的范围中切换。在我们的例子中,这需要开发定制的高速执行器,具有必要的扭矩密度,以便封装到机械结构中。每个执行机构还配备了一个机械离合器和内联扭矩传感器,以支持低刚度控制,以适应相互作用和减少振动。

设计定制的硬件还允许我们加入在仿人机器人中不常见的额外关节。例如,仅锁骨和肩部就有五个自由度,以支持耸肩功能和扩展的配置空间,使手势更自然。我们还能够集成板载计算来支持交互行为。

 

为了确保你的机器人不仅具有功能性,而且能够成为一个富有表现力的角色,需要做出哪些妥协?

如前所述,我们面临着严重的挑战,包装和组件的选择 —— 小尺寸和字符配置文件。这导致在设计方面做出了一些妥协。例如,我们目前依赖于刚性-柔性电路板将电子元件安装到零件的可用表面积上,而无需额外的电缆或连接器。不幸的是,这些电路板比标准的刚性电路板更难设计和制造,增加了复杂性、成本和制造时间。我们也可以考虑增加臀部和膝盖驱动器的大小,如果他们不再需要适合主题服装的话。

设计一个可靠的步行机器人本身就是一个重大的挑战,但为每一个动作添加风格和个性是一个新的复杂性层次。从软件的角度来看,我们花了大量的时间来开发运动规划和动画工具,使动画师能够为物理角色创作风格化的步态、手势和表情。不幸的是,与屏幕上的角色不同,我们没有选择改变物理定律,必须通过模拟来验证每个动作。因此,我们目前仅限于在平坦的地面上行走和跳舞,但我们希望将来能跳过楼梯!

当然,总有更多的事情可以做,以更好地匹配性能,我们对我们正在开发的一些产品感到兴奋,包括下一代的设计和运动规划器的改良。

你要如何让这个机器人安全地处于游客身边?

首先我要强调的是,我们非常重视安全问题,这是任何迪士尼体验中最重要的部分。在后期,我们确实打算允许机器人与所有年龄段的游客进行互动,但这需要一个过程才能逐步实现。正确的安全评估是任何研发项目产品化的重要组成部分,我们计划与我们的设计师、演职人员和游客一起进行游戏测试。他们的反馈将有助于确定机器人角色的体验在实施后会是什么样子。

从设计的角度来看,我们认为小角色是最安全的两足动物类型,因为它们重量轻,重心低。我们还采用了柔顺控制策略,以确保机器人的执行机构是扭矩限制和后驱动。感知和行为设计也可能发挥关键作用,但最终,随着技术的发展,我们将依靠适当的表演设计来实现安全水平的互动。

你认为其他从事腿部系统研究的机器人专家可以从“Kiwi项目”中学到什么?

我们经常受到其他机器人学家的启发,他们自己也在研究腿部系统,但我们很乐意分享一些经验教训。记住,机器人技术基本上是跨学科的,一个好的团队通常由硬件和软件工程师紧密协作组成。然而,在我们的经验中,艺术家和动画师在给生活带来新的视觉方面扮演着同样重要的角色。我们经常从角色动画和游戏开发领域引入想法,虽然机器人角色比虚拟角色受到的约束要大得多,但我们正在解决许多相同的问题。另一个技巧是在设计过程的早期利用运动研究(通过动画、运动捕捉和/或仿真工具),为任何新机器人生成性能驱动的需求。

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