人性化設(shè)計(jì)的機(jī)器人救生員

Vecna公司研發(fā)的這款具有人性化設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以行走、奔跑、舉起重物，甚至可以依靠由履帶提供能量的接合式腿爬樓梯。
　　
有一天，你會(huì)看到關(guān)于它援救戰(zhàn)場(chǎng)傷員的錄像。也或許你會(huì)在它大步走過擁擠的醫(yī)院長廊時(shí)與它擦肩而過。
　　
不管怎樣，你有可能在毫無準(zhǔn)備的情況下見到“Bear”(戰(zhàn)地援助機(jī)器人)。畢竟這不是一種全自動(dòng)噴涂機(jī)器人。由馬薩諸塞州一家公司為美國陸軍研制的這款機(jī)器人只能說是成百上千的商業(yè)機(jī)器人的后代。在機(jī)器人技術(shù)等級(jí)上，它不像是一個(gè)流水線上組裝的機(jī)器人，更像是星球大戰(zhàn)中的C3PO或施瓦辛格飾演的終結(jié)者。



Bear 的發(fā)明人Daniel Theobald 發(fā)現(xiàn)并用“Bear”填補(bǔ)了小型控測(cè)機(jī)器人和運(yùn)輸遙控交通工具市場(chǎng)之間的空白。
　　
在許多方面，它都像是直接出自科幻小說畫冊(cè)。不同于它的前輩們，“Bear”的靈活性不依賴于滑動(dòng)、門架或轉(zhuǎn)盤。它有腿，膝蓋，肘以及面部。在不久的將來，它還可以蹲坐，舉起一個(gè)250磅的人，并且可以把他從一段樓梯上抱下來。此外，即使是傷員在其兩臂間活動(dòng)，它仍可保持平衡。它堅(jiān)固、靈巧、可移動(dòng)，某些方面接近人的感覺。
　　
美國陸軍和技術(shù)研究中心知識(shí)工程部主席加里•吉爾伯特（Gary Gilbert）指出：“我們對(duì)這一技術(shù)研究得越深入，這款機(jī)器人的外形就越接近于人，人性化的外形設(shè)計(jì)使它可以做到很多人們希望它做的事情。”
　　
填補(bǔ)市場(chǎng)空白
　　
在三年多的制作過程中，“Bear”確實(shí)采用了類似于人的外形，而且一直以來它看上去就很接近于人。美國陸軍的工程師們說他們需要這些人性化的特點(diǎn)，因?yàn)檫@種機(jī)器人要承擔(dān)的戰(zhàn)場(chǎng)任務(wù)要求它們反應(yīng)敏捷且力氣足夠大。初期任務(wù)包括援救戰(zhàn)場(chǎng)傷員和布置炸彈——這些任務(wù)由機(jī)器人來完成會(huì)減少士兵的傷亡。
　　
“它需要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，履行任務(wù)，安全返回，并且要保證傷員免受外界環(huán)境的威脅，”吉爾伯特說。
　　
盡管目前“Bear”靠輪子移動(dòng)，但是現(xiàn)在的模型采用了履帶式接合腿，這種結(jié)構(gòu)保證了它可以實(shí)施更高級(jí)別的任務(wù)，包括把自己依附在地面交通工具上、在戰(zhàn)場(chǎng)上履行任務(wù)的同時(shí)保證自身安全、尋找傷員并把他/她放到擔(dān)架上安全撤退。
　　
Vecna科技公司總裁丹尼爾•西奧博爾德（Daniel Theobald）表示，他之所以會(huì)發(fā)明“Bear”，是因?yàn)樗吹搅丝梢苿?dòng)機(jī)器人市場(chǎng)的空白。他說這個(gè)市場(chǎng)之前大體上被兩種機(jī)器人占據(jù)：尋找炸彈時(shí)可以避開車輛的小型“虛擬存在機(jī)器人”以及大型可遠(yuǎn)程操作的交通工具，包括坦克和無人機(jī)。
　　
西奧博爾德說，“我們?cè)谶@二者之間看到了空隙。人們需要一種能夠進(jìn)入擁擠空間的機(jī)器人——大樓內(nèi)或樓梯上這種普通交通工具無法進(jìn)入的地方。但同時(shí)也要求這種機(jī)器人要足夠堅(jiān)固以應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜環(huán)境。”
　　
西奧博爾德預(yù)測(cè)說，他的新型機(jī)器人能夠舉起幾百磅的重物，它的力氣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般小型可移動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)檫@些機(jī)器人往往不能舉起大于70磅的物體。正是由于他賦予了該機(jī)器人這樣的力氣，所以西奧博爾德相信它能夠填補(bǔ)這個(gè)重要的空白——抱起傷兵、舉起小型交通工具、援救遭受核武器或化學(xué)武器襲擊的平民以及核查被動(dòng)物尸體覆蓋的炸彈。西奧博爾德甚至預(yù)測(cè)該機(jī)器人可以設(shè)置在醫(yī)院里，用來幫助挪動(dòng)床上的病人或?yàn)榻刂藛T、老人提供幫助等。
　　
“為了應(yīng)對(duì)這種環(huán)境，你需要非常的強(qiáng)壯，”西奧博爾德說，“為了救出被困人員，你需要能夠抱起傷員、移開石塊甚至舉起汽車?！?



利用動(dòng)態(tài)平衡，“Bear”可以依靠履帶站立、行走。

但是要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)對(duì)這個(gè)項(xiàng)目來說并不容易。為了達(dá)到目的，西奧博爾德認(rèn)為利用液壓給機(jī)器人上半身提供能量至關(guān)重要。他從Quincy Ortman Cylinders公司租了1500帕的液壓油缸，通過HydraForce公司生產(chǎn)的閥門注入。Vecna公司的設(shè)計(jì)人員還按照用戶指定為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)不依賴于方位的液壓儲(chǔ)油箱，這樣一來當(dāng)機(jī)器人彎腰或處于非正常姿勢(shì)的時(shí)候，液體也不會(huì)流出來。
　　
“利用液壓當(dāng)然有利有弊，”西奧博爾德表示，“液壓系統(tǒng)相當(dāng)?shù)闹?，而且?huì)增加成本。但是這樣做的好處就是可以在某一時(shí)刻將能量集中于一點(diǎn)。反之，如果將發(fā)電機(jī)分布于機(jī)器人全身，那就只能從每一個(gè)單獨(dú)的發(fā)電機(jī)上獲得能量。為了得到相同的能量，需要巨大的發(fā)電機(jī)?！蔽鲓W博爾德在麻省理工學(xué)院讀研究生時(shí)期就承擔(dān)了為機(jī)器人“戰(zhàn)神”（Mars）開發(fā)網(wǎng)絡(luò)控制算法的工作。
　　
學(xué)習(xí)平衡
　　
即使“Bear”可以提起較重的物體，它也同樣面臨著挑戰(zhàn)：平衡。為了讓“Bear”在抱起傷員、跨過圓木或走下山坡時(shí)也能保持平衡，它的設(shè)計(jì)者們利用了動(dòng)態(tài)平衡原理。
　　
“想要在保持機(jī)器人相當(dāng)穩(wěn)固的同時(shí)又縮小它腳的比例，這就面臨著一個(gè)平衡的問題。”西奧博爾德說。
　　
動(dòng)態(tài)平衡通過機(jī)器人的腿（或輪子，視具體情況而定）保持它的重心?！癇ear”像人一樣需要學(xué)習(xí)在站立的時(shí)候調(diào)整重心。如果向前傾，機(jī)器人需要學(xué)習(xí)向后傾斜以把重心放在腳上。相反的情況，如果向后傾，它需要向前傾斜。



Vecna 公司在Bear 的移動(dòng)關(guān)節(jié)上安裝了21 個(gè)Microchip 公司的PIC 微控制器

為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，西奧博爾德和機(jī)器人產(chǎn)品經(jīng)理——杰米妮可（Jamie Nicole）合作開發(fā)了能夠讓“Bear”感知其臂、軀干和腿的傳感器。一個(gè)由SpaceAge控制公司研制的軀干慣性測(cè)試裝置可以探測(cè)機(jī)器人的姿勢(shì)，由美國Digital公司提供的光學(xué)接合
　　
譯碼器跟蹤機(jī)器人身體各部分的角位移。然后譯碼器會(huì)將探測(cè)到的信號(hào)發(fā)送到由Microchip微芯科技公司提供的21 PIC微處理器上，它與機(jī)器人的關(guān)節(jié)是一體的。關(guān)節(jié)微控制器被隔離為5塊：左臂；右臂；左腿；右腿；及軀干。



Vecna的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在此項(xiàng)目中最多有12人同時(shí)參與設(shè)計(jì)，圖片從左至右是：Jamie Nichol博士,機(jī)器人產(chǎn)品經(jīng)理,Jonathon Klein,工業(yè)設(shè)計(jì)總監(jiān)，Scott Kullberg，資深軟件工程師，Josh Ornstein，機(jī)器人學(xué)家，半跪的是發(fā)明人Daniel Theobald。

“我們想讓它的每個(gè)關(guān)節(jié)都很靈活，這樣能夠降低機(jī)器人內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)事故發(fā)生的次數(shù)?！苯苊啄菘芍赋觥Ｋ谒固垢４髮W(xué)讀博士期間主攻氣動(dòng)元件和運(yùn)動(dòng)學(xué)。
　　
降低網(wǎng)絡(luò)事故的發(fā)生頻率很重要，Vecna公司的設(shè)計(jì)師們說，因?yàn)闄C(jī)器人內(nèi)部由一臺(tái)計(jì)算機(jī)處理最困難最復(fù)雜的工作。這個(gè)基于Linux的中央處理器——由Via科技公司生產(chǎn)的EPIA-M母板，進(jìn)行更加周密的運(yùn)算，包括根據(jù)客戶指定設(shè)計(jì)的平衡算法和高級(jí)協(xié)調(diào)程序。根據(jù)這些程序做出的指令，中央處理器（CPU）會(huì)將信號(hào)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)上的微控制器，然后由微控制器與發(fā)電機(jī)、閥門以及其他給機(jī)器人提供能量的調(diào)節(jié)器進(jìn)行“交流”。




從后面看Bear 的液壓驅(qū)動(dòng)上半身，包括1500psi氣缸和獨(dú)立導(dǎo)向的液壓蓄能器，它們用在每個(gè)關(guān)節(jié)上的PIC 微控制器控制

“Bear”的腿或輪子也從位于膝蓋和臀部的微控制器上獲取指令，早期版本的“Bear”利用輪子移動(dòng)，現(xiàn)在的機(jī)器人模型則采用四個(gè)由發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶完成移動(dòng)。位于膝蓋上下的履帶由MagMotor公司生產(chǎn)的2 HP刷型永久磁鐵驅(qū)動(dòng)，通過一個(gè)變速箱調(diào)節(jié)速度。本質(zhì)上，履帶構(gòu)成了機(jī)器人的腿，使它能夠直立、行走、爬樓梯或跨過障礙物。你可以在YouTube視頻網(wǎng)站上看到更多處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)“Bear”的視頻。
　　
“我們?yōu)闄C(jī)器人設(shè)計(jì)了兩條安裝了履帶的獨(dú)立的腿，所以它能夠在爬樓梯的時(shí)候保持與每階樓梯頂部絕對(duì)的接觸”，西奧博爾德說。這樣一來，在攀登或走下樓梯時(shí)，這個(gè)厚重結(jié)實(shí)的機(jī)器人不會(huì)對(duì)樓梯造成破壞。他說，“很顯然，當(dāng)你抱著一個(gè)人的時(shí)候，當(dāng)然要盡量減少不必要的冒險(xiǎn)?！?

早期的設(shè)計(jì)模型將輪子和履帶相結(jié)合來爬樓梯。



下一個(gè)挑戰(zhàn)：自治
　　
因?yàn)樯鲜鲈?，美國陸軍的工程師們表示他們?duì)“Bear”的人性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)感到滿意。
　　
“許多人說，‘你們不需要那樣，’”美國陸軍的吉爾伯特說，“他們告訴我們，‘只需使用四個(gè)輪子或升降機(jī)’。但事實(shí)證明這些結(jié)構(gòu)不適用于爬樓梯，他們不能靈活的突然轉(zhuǎn)彎，而且他們不夠柔和?！?br>　　
吉爾伯特補(bǔ)充說，軍隊(duì)同時(shí)希望能夠賦予未來的“Bear”型機(jī)器人自治的智能。他說，目前，“Bear”仍然是通過遠(yuǎn)程控制進(jìn)行操作。但是軍隊(duì)的工程師們希望最終可以使用激光、雷達(dá)和聲納型傳感器讓機(jī)器人具備感知、理解和應(yīng)對(duì)周遭環(huán)境的能力。



Vecna 公司的設(shè)計(jì)者們利用美國Digital 公司生產(chǎn)的光學(xué)譯碼器（如圖）和一個(gè)內(nèi)部測(cè)試裝置探測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)。



采用液壓臂，機(jī)器人可以提起400 磅的重物。可以在YouTube視頻網(wǎng)站上看到更多的視頻。



“機(jī)器人仍處于幼年時(shí)期，”吉爾伯特說，“自治仍是最大的挑戰(zhàn)?！?br>
但是，現(xiàn)在“Bear”的設(shè)計(jì)師們已經(jīng)成功的實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)目的頭兩個(gè)目標(biāo)：理論驗(yàn)證和爬樓梯能力。它能夠依靠履帶型接合式的腿站立、奔跑。還有一系列目標(biāo)需要在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)：對(duì)預(yù)料之外障礙物做出反應(yīng)；沿山坡一側(cè)跑下來；感知周圍環(huán)境。
　
“該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自治，”吉爾伯特說，“實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的唯一途徑就是實(shí)踐，而且我們已經(jīng)開始在做了。”

http://article.cechina.cn/2009-03/20093270238041.htm