MIT工程师设计新型挖掘机控制器，让操作员从第一天起就能上手

任何在游戏厅玩过抓娃娃机的人都能体会到那种挫败感——反复拨弄摇杆，试图让机械臂精准抓住目标玩具。将摇杆动作与机械臂运动对应起来，需要一种并不直观的"心理映射"。

事实上，抓娃娃机的操作原理与驾驶挖掘机颇为相似：操作员通过摇杆控制挖掘机的动臂、斗杆和铲斗，以及驾驶室的转向。但挖掘机的操作远比抓娃娃机复杂得多。操作员必须建立更复杂的心理映射，才能指挥挖掘机完成移石、平整土地、清理碎片、挖掘地基等各类现场作业。熟练掌握这些重型机械的操控技巧，往往需要数年时间。

麻省理工学院的工程师们正致力于缩短挖掘机操作员的学习周期，为此开发了一套全新的训练界面。这套系统摒弃了传统摇杆，设计了一款更直观的控制器——其外形本身就像一台微型挖掘机的臂架和铲斗。学员握住装置，用手臂和手部动作驱动它，模拟挖掘机的真实运动。六屏沉浸式显示器上投影的数字挖掘机，会在虚拟环境中同步镜像学员的每一个动作。

"这是一种更直观的机器操控方式，"麻省理工学院机械工程系首席研究科学家Hermano Krebs表示，"有了这套新界面，我们可以省去操作员原本需要建立的大量心理映射。"

Krebs认为，这套界面不仅能加速挖掘机操作员的培训，还能成为一种全新的实体操控方式，适用于现场作业和远程操控两种场景。

"你可以在驾驶室侧面安装这条微型臂架，操作员将自己的手臂放入其中，就像穿戴外骨骼一样，从而在驾驶室内操控挖掘机，"Krebs说，"如果作业环境危险或难以进入，操作员可以坐在场外的拖车里，通过这条机械臂远程遥控挖掘机。"

研究团队本周在《计算与土木工程杂志》上发表了开放获取的研究成果。麻省理工学院的共同作者包括Moises Alencastre-Miranda、Joao Buzzatto和Eran Beeri Bamani，合作方为日本工业机械制造商住友重机械工业株式会社。

机器模拟

在麻省理工学院，Krebs团队长期专注于人机交互研究，尤其在肢体康复领域积累了深厚经验。这些工作让团队深入了解了人类控制肢体的方式，以及人与机器最自然的交互模式。

2018年，Krebs与住友重机械工业的研究人员展开合作。对方希望找到一种更快速的挖掘机操作员培训方法——在日本，重型机械操作员群体正面临快速老龄化，培养接班人需要耗费大量时间。

传统培训方式是让学员在专用驾驶场地上实际驾驶挖掘机。在操作过程中，新手必须逐渐建立摇杆动作与臂架、铲斗、驾驶室运动之间的对应关系。在此基础上协调各项动作以完成实际任务，又增加了一层复杂性，往往需要数月乃至数年才能熟练掌握。

研究团队认为，如果能消除这种心理映射的需求，或许可以大幅缩短培训周期。为此，他们寻找一种更自然的机器控制方式，以替代传统摇杆。他们最终选定了机械臂设计方案——其外形与挖掘机臂架和铲斗高度相似，操作员可以直接模拟并控制挖掘机的动作，无需进行复杂的心理转换。

此后数年，研究人员持续完善这套机械臂，并开发了将其动作与挖掘机虚拟仿真系统配对的软件。机械臂与虚拟仿真系统的结合，构成了一套全新的挖掘机操作员训练与控制平台，团队将其命名为"世界空间界面"（World-Space Interface）。

"'世界空间'指的是你自身之外、或在本案例中挖掘机驾驶室之外的一切，"Krebs解释道，"通常情况下，操作员需要建立心理映射来操控世界空间中的物体。但现在，我们只需模拟捡起石块或泥土的动作，计算机就会自动完成向世界空间的转换。"

第一天就能上岗

在新研究中，研究团队招募志愿者分别使用世界空间界面和传统摇杆式挖掘机模拟器进行训练实验。研究人员开发了15个逼真的虚拟挖掘场景，涵盖建筑工地、公路、林区道路、河岸、矿区以及城乡各类环境。每个虚拟场景对应不同的挖掘任务，包括铲运沙石、挖掘和平整沟渠、清理路面碎片、清除水边树枝、破碎岩石等。

实验设计模拟了操作员在为期一周的挖掘机驾驶培训课程中通常执行的任务。连续七天，每天一小时，包括专家和新手在内的志愿者分别使用世界空间界面和摇杆模拟器，按难度递增的顺序完成各项训练任务。

研究人员随后对比了志愿者在训练前后的表现。在摇杆模拟器上，新手的表现始终不及专家，尽管在训练期间有所进步。相比之下，使用新型世界空间界面时，新手从一开始就达到了与专家相当的水平。

"摇杆是一种不直观的机器控制和协调方式，"研究共同作者、麻省理工学院博士后Joao Buzzatto表示，"这是第一款无需通过摇杆操控挖掘机的界面。"

目前，团队正致力于为世界空间界面的机械臂添加触觉反馈功能。设想是：当操作员用机械臂模拟捡起一堆石块时，装置会产生相应的力反馈，让操作员感受到石块的重量，从而确认挖掘机确实完成了抓取动作。

"触觉反馈将使这套系统更加直观，"共同作者、访问工程师Solmon Jeong表示。

研究团队认为，这套新型训练界面可以成为建筑行业目前正在探索的挖掘机模拟器的更自然替代方案。卡特彼勒、现代和小松等公司正在开发虚拟模拟器，既用于操作员上岗前的培训，也着眼于未来的远程挖掘机操控。然而，这些模拟器大多仍基于传统摇杆控制器，学习成本依然较高。

研究人员设想，如果将这套臂架铲斗控制器集成到挖掘机驾驶室或虚拟遥操作模拟器中，即便是初次上手的操作员，也能从第一天起就投入实际作业。

本研究部分由住友重机械工业株式会社资助。

Q&A

Q1：世界空间界面（World-Space Interface）是什么？它和传统摇杆有什么区别？

A：世界空间界面是麻省理工学院工程师开发的一套挖掘机训练与控制平台，其核心是一个外形类似微型挖掘机臂架和铲斗的控制器。操作员直接用手臂和手部动作驱动装置，计算机自动将动作映射到虚拟挖掘机上。传统摇杆需要操作员建立复杂的"心理映射"才能协调机器动作，而世界空间界面通过直接模拟挖掘机的物理动作，省去了这一过程，让新手从第一天起就能达到与专家相当的操作水平。

Q2：使用世界空间界面培训挖掘机操作员，效果真的比传统方式好吗？

A：根据研究实验，效果明显更好。实验中，志愿者连续七天分别使用世界空间界面和传统摇杆模拟器训练。结果显示，使用传统摇杆时，新手表现始终不及专家；而使用世界空间界面时，新手从训练开始就达到了与专家相当的水平，大幅缩短了学习周期。

Q3：世界空间界面除了用于培训，还有哪些实际应用场景？

A：除培训外，世界空间界面还可直接用于现场操控和远程遥控。研究人员设想将其作为附件集成到挖掘机驾驶室中，操作员像穿戴外骨骼一样使用机械臂操控挖掘机；在危险或难以进入的作业环境中，操作员也可坐在场外通过该装置远程遥控挖掘机。此外，团队还计划为装置添加触觉反馈功能，让操作员能感受到作业对象的重量，进一步提升操控的真实感。