用虚拟现实远程操作机器人：让工厂员工更便捷地远程办公

许多制造业岗位需要人员亲临现场操作机械。但若这些工作能远程完成呢？研究人员近日展示了一套虚拟现实系统，可通过Oculus Rift头显远程操控机器人。

该系统将用户置身于一个配备多个传感器显示屏的虚拟现实控制室中，使其感觉仿佛置身于机器人的头部内部。通过使用手势，用户可以将自己的动作与机器人的动作相匹配，从而完成各种任务。

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的博士后研究员杰弗里·利普顿表示：“这样的系统最终可能帮助人类远距离监督机器人。”他是一篇关于该系统相关论文的主要作者。“通过在家远程操作机器人，蓝领工人将能够像现在的白领一样进行远程办公，并从IT革命中受益。”

研究人员甚至设想，这样的系统可以通过将制造业岗位“游戏化”，帮助雇佣越来越多的失业视频游戏玩家。

该团队使用Rethink Robotics公司的Baxter仿人机器人演示了他们的虚拟现实控制方法，但表示该方法可以在其他机器人平台上运行，并且也与HTC Vive头显兼容。

利普顿与CSAIL主任丹妮拉·鲁斯以及研究员艾丹·费伊共同撰写了这篇论文。他们本周在温哥华举行的IEEE/RSJ国际智能机器人与系统大会(IROS)上展示了该论文。

工作原理

传统上，使用虚拟现实进行远程操作主要有两种方法。

在“直接”模型中，用户的视觉与机器人的状态直接耦合。使用这些系统，信号延迟可能导致恶心和头痛，并且用户的视角局限于单一视角。

在“信息物理”模型中，用户与机器人是分离的。用户与机器人和环境的虚拟副本进行交互。这需要更多的数据和专门的物理空间。

CSAIL团队的系统介于这两种方法之间。它解决了延迟问题，因为用户不断从虚拟世界接收视觉反馈。它也解决了与机器人分离的信息物理问题：一旦用户戴上头显并登录系统，他们会感觉仿佛置身于Baxter的头部内部。

该系统模仿了“侏儒心智模型”——即认为我们大脑内部有一个小人控制着我们的行动，观看着我们看到的图像，并为我们理解这些图像。虽然这对人类来说是一个奇特的想法，但对于机器人来说却很贴切：“在”机器人“内部”，有一个坐在控制室里的人，通过机器人的眼睛观察世界并控制其行动。

使用Oculus的控制器，用户可以操作虚拟空间中出现的控制装置，来开合手爪，以拾取、移动和取回物品。用户可以看着机械臂的实时显示，根据机械臂位置标记与手之间的距离来规划动作。

为了实现这些动作，人的空间被映射到虚拟空间，然后虚拟空间又被映射到机器人空间，以提供一种共位感。

与以前需要大量资源的系统相比，该系统也更加灵活。其他系统可能从每个摄像头提取二维信息，构建完整的环境三维模型，然后处理并重新显示数据。

相比之下，CSAIL团队的方法通过获取显示给每只眼睛的二维图像，绕过了所有这些步骤。（剩下的工作由人脑通过自动推断三维信息来完成。）

为了测试该系统，团队首先远程操作Baxter完成简单任务，如捡起螺丝或装订电线。然后，他们让测试用户远程操作机器人捡起并堆叠积木。

与“直接”模型相比，用户成功完成任务的比例要高得多。不出所料，有游戏经验的用户使用该系统要轻松得多。

与最先进的系统相比，CSAIL的系统在抓取物体方面的成功率高出95%，完成任务的速度快57%。该团队还展示了该系统能够从数百英里外操控机器人，他们在华盛顿特区的一家酒店无线网络上测试了该系统，以控制位于麻省理工学院的Baxter机器人。

斯坦福大学计算机科学教授乌萨马·哈提卜（未参与该论文）表示：“这一贡献代表了在以直观、自然和有效的方式连接用户与机器人空间方面的一个重要里程碑。”

该团队最终希望专注于使该系统更具可扩展性，能够支持众多用户和不同类型的机器人，并能与当前的自动化技术兼容。

该项目部分由波音公司和美国国家科学基金会资助。