机器人迈出了新的一步

发布时间：12年05月05日

编译冯诗齐

为了建造行走式机器人，工程师们正在探索人类保持平衡的秘密

完善拟人行走机器人

在佛罗里达州彭沙科拉人类识别研究所，普拉特与同事一起装配M2V2，以检验其平衡性

　　在过去30年里，科学家和技术专家已经解决了以两条腿行走的机器人的制造难题。对人而言，以两腿行走毫不费力，但这一看似简单的动作却隐藏着许多复杂性。直到最近，安装在机器人身上的控制行走的电脑还是非常不理想。现在，遍及全美的几个团队正在完善第一代拟人行走的机器人。这些机器人具有多种能力，从蹒跚而行、防止碰撞，一直到能在崎岖的地面导航行走。

　　PETMAN是一款由马萨诸塞州沃尔瑟姆市波士顿动力公司(Boston Dynamics)设计的行走型机器人，它具有异乎寻常的以两腿漫步的能力。该机器人没有上身，由两条用钢和塑料制造的双腿连接到一个电力电缆系统。不过，它能像人一样通过脚跟到脚趾的活动自己行走。如果有人从侧面推它，PETMAN能避让并恢复平衡，甚至还穿着鞋。

　　为什么要把机器人建造成像人的模样呢·研究者们说，首先，行走型机器人为他们提供了度量工程精度的一个基准；其次，它的出现提供了一个改善老年人生活质量的机会；最后，人类需要建造能在人造世界里自行导航的更为实用的机器。

　　以PETMAN项目为例，为该项目提供资金的军队，需要机器来模拟现实中人在危险环境中的工作，比如对化学防护装备的检测。波士顿动力公司计划到2011年上半年交付新版机器人，新版机器人增加了头和躯干。

　　波士顿动力公司的创始人兼总裁马克·雷伯特(Marc Raibert)说，在1980年，如何让机器人保持平衡还几乎完全是个奥秘，当时他和其他一些机器人专家正在匹兹堡卡内基梅隆大学的Leg Lab (腿实验室)工作。1986年他离开该实验室转到马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院。

　　“由于第一代机器人的需求甚旺，科学家们打算像生产桌子那样生产它们，”他说。以后研究者们认为机器人应当能持久保持平衡。为此，在早期的机器人研究中人们试图准确确定每只脚应当落在何处，以便提前计算出下一步的可能性。然而，人和其他动物并不以这样的方式活动。相反，我们实际上是遵循一种受控下落的方式，用我们的双脚来感觉在走出一步后如何最佳地重新获得平衡。

关键在于编程与控制

　　在腿实验室工作的研究者试图改用不同的方法。他们创建了一系列机器人，从跳着走的直腿机器人，到看上去更为自然逼真的人形机器人。波士顿动力公司的首个成功范例是一个四条腿的慢走机器人，如Big Dog。这是一个军用项目，设计用于负重穿越崎岖的道路。Big Dog能穿越雪地、森林，以及多石的山峰，这些都是轮式车辆难以通过的区域。

　　到目前为止，对大多数机器人而言，还无法做到不仅能在水平地面移动，而且能跨越任何障碍。或许最著名的行走式类人机器人，是日本本田汽车公司于1990年代初作为原型引入的ASIMO。甚至在经过了多年的修改以及学习运行后，ASIMO仍然可以被人轻松推倒、难以对付不平坦的地面、移动时采用不那么像正常行走的屈膝步法。

　　腿实验室的校友已各自分散到几个不同的大学和公司。他们中的一位，杰瑞·普拉特(Jerry Pratt)，现在是佛罗里达州彭沙科拉市人类与机器认知研究所的科学家。他说，人能非常迅速地对跌倒作出反应，比大多数机器更快。当你跌倒或失去平衡时，作出反应只需大约0.43秒。而目前的机器人做同样的事至少要花0.6秒，反应慢当然就容易摔跤。

　　“当你在谈论推倒复原的问题时，这实在是关键所在，”他说。对普拉特来说，印象最深刻的是PETMAN和Big Dog的速度，它们能以这样的速度向若干个方向迈腿移动。最大的问题是，人的双腿在行走时并不真的弯曲，更多的是摆动，相对自由的摆动，直到你对其加力。

　　此时，脚本能地踏下。你的双腿可以踩在广阔地面的任何一处而不用担心失去平衡，因为双腿在移动中可以保持平衡。然而，大多数机器人的脚与动物的爪子相比，更让人联想到三脚架支柱。普拉特说关键是解决如何编程控制机器人，以便让它们在腿落地后进行再调整。

　　普拉特的机器人项目M2V2是在腿实验室启动的。自那以来，他已改进了设计，可以让机器单脚站立，甚至在受到推挤时能从一条腿换到另一条腿。

　　M2V2的灵敏的腿要归功于巴克尔大学，该校工程系代理系主任吉斯·布弗因顿(Keith Buffinton)及他的团队为机器人设计了一条带压力传感器的腿。这一新技术提供给M2V2足够的信息来判断如何调整平衡。而一个患“扁平足”的机器人是做不到这一点的。

拟入机器人用途广泛

　　所有这一切都使用了远超过建立人形机器人的技术。克里斯·阿特基森(Chris Atkeson)，是卡内基梅隆大学机器人研究所的教授，他说，他的目标是搞清楚为何老年人容易跌倒。如果他能在机器人中进行适当模拟，进行相关理论的检验并开发新的有用的方法。“这就需要了解人本身，”他解释说。

　　同样在日本，ASIMO的服务目标也远比在新闻发布会期间所说的娱乐性更高。本田公司女发言人艾丽西娅·琼斯(Alicia Jones)指出，ASIMO的开发有助于设计助老设备。日本国内迅速增长的老年人口已成为政府很大的焦虑。

　　阿特基森的小组采用必威在线网站首页网址捕捉技术来帮助了解人的行为。该技术类似于好莱坞用来产生逼真的计算机图形的技术。他说，在人和机器人之间有两个特征判若云泥。

　　首先是对运动的“衰减”能力。例如，如果你拍某个人的手掌，手会移动一些位置，但只有拍第二次时，手才回到原来位置。“人很擅长做衰减，”阿特基森说，“我们已经找到一条在机器人中吸收冲击能量的途径”。

　　其次，是具有把握任意大小的力。要汽车停止运动非常缓慢，因为它们要在整个时间段里逐步换档。这就很难让它们像人那样反应迅速地运动。

　　另一个要把机器造得像人的原因是，为了人的利益，必须将它们设计得能在世界各地行走，这对机器人本身是有用的。此外，这样的机器人占地小、收纳方便。

　　普拉特补充道，一个两足的机器人甚至能代替人类从事危险的任务，如太空探险，包括在那种环境中拥有更多的腿，将有助于机器人在崎岖不平的地形上行动更为有效。