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动态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。