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【編者按】本文作者@沐陽浸月，中科院自動化所復(fù)雜系統(tǒng)國家重點實驗室研究生，主攻機器人與人工智能。
2015年對于機器人來說是十分重要的一年，不管是在機器人種類的來說，還是在機器人的控制算法來說都有十分舉足輕重的進(jìn)步和跨越，現(xiàn)在我們就來盤點一下今年這些神奇與瘋狂的機器人吧。上篇我們將著重講述2015年那些比較大型的機器人們。
也許今年在機器人界最重要的一個頭版頭條應(yīng)該就是兩臺巨型機器人的大對決了，其實與其說是對決，更準(zhǔn)確的說法應(yīng)該叫約戰(zhàn)。
今年8月末，來自美國的MegaBots公司完成了他們的巨型載人機器人（載人機器人準(zhǔn)確的說法應(yīng)該叫機甲，更偏向于鋼鐵俠那種，機器人則是更偏向于變形金剛那種，但是目前機甲與機器人區(qū)分并不十分明顯，所以機甲也被歸入機器人的行列之中）。
由于日本制造出了世界首款也是唯一只戰(zhàn)斗機器人，所以這次傲嬌的美國人不干了。 MegaBots已向日本水道橋重工遞交請戰(zhàn)書，約定在一年后讓旗下MegaBots II 載人機器人與水道橋重工旗下的Kuratas載人機器人來一場世紀(jì)決戰(zhàn)。
MegaBots公司表示：“水道橋你們聽好了！你們有巨型機器人，我們也有巨型機器人，既然都是巨型機器人，怎么也得分出個勝負(fù)，成王敗寇，我們一決雌雄！”于是世界的目光都投向了日本，人們期待日本會有什么樣的反應(yīng)，是積極應(yīng)戰(zhàn)還是悶聲退縮。
（美國的宣戰(zhàn)視頻截圖）
機器人打架，這可是只是在類似《鐵甲鋼拳》電影中才能出現(xiàn)的畫面，而且這還牽涉到一個國家的顏面，反映了一個國家最高端科技的水平，所以水道橋重工作出回應(yīng)：我們應(yīng)戰(zhàn)！然后互聯(lián)網(wǎng)就都沸騰了……
( 日本接受挑戰(zhàn)視頻截圖）
先放下對決不說，我們先看下雙方的實力和配置都是怎么樣的。
經(jīng)過大概3個月的時間， MegaBot在美國波士頓創(chuàng)客空間Artisan's Asylum完成了機器人的初步形態(tài)構(gòu)建與裝配。Stroup是主要的建設(shè)者，Cavalcanti擔(dān)任設(shè)計師，Matt Oehrlein擔(dān)任電氣工程師，處理的電子設(shè)備和代碼編程。
第一個原型，將焊接鋼板蓋在雕刻泡沫上，整個樣機就像是一架未完成的拖車。
經(jīng)過對第一版的再加工，它的更新版本的樣機高15英尺，12000英鎊重，由汽油驅(qū)動，運動方式為胎面滾動，前進(jìn)速度可以達(dá)到3英里每小時。
這個第二架原型機，即準(zhǔn)備參加應(yīng)戰(zhàn)的MegaBots II，可以搭載兩個人：一個操作員控制定向運動，另一個操作員充當(dāng)炮手，使機器人的軀干瞄準(zhǔn)目標(biāo)，并用臂式武器對目標(biāo)開火。
這個臂式武器包含可以發(fā)射3磅重彩彈的氣動加農(nóng)炮和一個可以一次性連續(xù)發(fā)射20枚小彩彈發(fā)射器構(gòu)成，子彈初速可達(dá) 160 千米每小時。如果MegaBots II的一支手臂脫落，另一只仍然可以繼續(xù)戰(zhàn)斗。
而且，當(dāng)?shù)弥毡舅罉蛑毓さ膽?yīng)戰(zhàn)之后，MegaBots公司在Kickstarter發(fā)起了一項50萬美元的眾籌，來把MegaBots II完善的更加狂野和殘暴，以應(yīng)對即將來臨的與Kuratas的巔峰對決。
我們再來看看水道橋重工的Kuratas。
Kuratas機器人是一款可四足駕駛的機器人，有13英尺高，8000英鎊重，靠柴油驅(qū)動，四輪前進(jìn)，因為其是一臺戰(zhàn)斗機器人，所以裝備了雙管加特林油漆彈發(fā)射器，配有先進(jìn)的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)以及平視顯示器。在其首次展示時，雙手還可配置格林機炮，機體設(shè)計充滿真實系的厚重魄力。
可以說，Kuratas機器人確實滿足了很多男人希望像小時候機器人動畫片中的主角那樣，駕駛一個超大機器人來一場酣暢淋漓的戰(zhàn)斗的夢想，雖然貴了點（價 1 億 2000 萬日元，約合人民幣 626 萬），但全世界的機器控都已經(jīng)被強烈征服了。
（水道橋重工制作的如何駕駛Kuratas機器人的視頻）
因為雙方都要為戰(zhàn)斗進(jìn)行各方面的準(zhǔn)備，預(yù)計明年這場戰(zhàn)斗會開戰(zhàn)，但我認(rèn)為這場戰(zhàn)斗其實更多是一種噱頭。這場戰(zhàn)役有可能發(fā)生，但是就目前的機械和技術(shù)水平，這場戰(zhàn)斗很可能是這樣的：兩臺機器人架勢已經(jīng)擺好，一聲刺耳的哨音劃破寂靜，戰(zhàn)爭一觸即發(fā)，只見MegaBots II一個彩蛋直接命中Kuratas一根裸露的電線，只見Kuratas立馬動彈不得，于是Game Over。比賽耗時30秒。
雖然這樣的場景可能有點極端，但是我想說的是，目前的機器人系統(tǒng)是一個極其復(fù)雜的機電一體化的系統(tǒng)，可以毫不夸張地說，只要一個小小的故障點就能導(dǎo)致機器人“殘廢”。
也就是說，如果一個機器人在一場戰(zhàn)役中的開場60秒擊中另一臺機器人的一個“弱點”，那么比賽結(jié)束。
我相信做過機器人的工作者對這一點也一定十分了解，可能很多人都快被折磨得身心俱疲了。而且我認(rèn)為一個機器人開發(fā)人員在開發(fā)機器人的過程中，為了掩護(hù)住所有“弱點”也許就得花上一年甚至是三年左右的時間。
那么，因為這一點我們就不要讓這樣的比賽發(fā)生了嗎，我覺得不是。我反而覺得這樣的比賽更應(yīng)該舉辦得多一些。通過MegaBots II與Kuratas的這場“約架”我們可以看到，更多的人對機器人有了關(guān)注，甚至產(chǎn)生了熱情，所以讓機器人成為流行文化的一部分對機器人技術(shù)的發(fā)展是大有裨益的。
這款機器人由著名的機器人公司波士頓動力出品，之前他的大狗機器人已經(jīng)令我們大吃一驚，因為這款機器人可以毫無壓力地行走在各種復(fù)雜的地形之上，甚至可以承受的住人類的一個回旋踢。ATLAS這款機器人則沿襲了大狗的制作水準(zhǔn)，不過不同的是，這款機器人采用的是和人類一樣的兩足行進(jìn)模式，所以它和你走在森林里面，你會更加覺得恐怖。
今年年初，為了參加六月初的DAPPA機器人挑戰(zhàn)賽，ATLAS完成了自己的一次進(jìn)化。此次變身，ATLAS全身的百分之七十五都被重新設(shè)計了，只有小腿和腳沿用了上一版的設(shè)計，新的設(shè)計使得它變得更加強壯、快速、安靜，并且得益于其身后的電池大背包，它已經(jīng)脫離了電纜的束縛。
得益于全身升級后的各項組件，新改進(jìn)的ATLAS比原來的版本身材更加纖細(xì)，體型也更小，更加有效的機載液壓泵也使得ATLAS機器人在移動速度上更加迅猛。 這樣改進(jìn)的目的也是使ATLAS機器人更容易完成一些挑戰(zhàn)，例如要求它擠入專為人類設(shè)計的空間。這一點非常重要，因為機器人的一個設(shè)計初衷就是去完成那些對于人類來說十分不安全的工作的。我相信波士頓動力在谷歌的協(xié)助和資助下，ATLAS一定會在未來的幾年以驚人的速度進(jìn)一步完善。
MIT的Cheetah機器人我在雷鋒網(wǎng)之前的專欄文章《機器人界那些另類的朋友們 ，是怎么誕生的？》已經(jīng)有所介紹，MIT的Cheetah機器人擁有高速奔跑的能力和良好的平衡性。通過實驗，其可以在8.3千米每小時的速度下奔跑兩個多小時，或者背負(fù)3千克的電池跑10千米。
今年，Cheetah機器人在性能上又有了一個質(zhì)的飛躍，那就是它可以在不間斷步伐的情況下，不論有多少個18英尺高的障礙物，它都可以輕松越過。而這次的提升也主要是因為Cheetah機器人具備了視覺系統(tǒng)，下面我來說說他是怎么完成越障這項比較有難度的動作的。
Cheetah機器人可以“看見”的能力，主要得益于其使用的機載激光雷達(dá)，這套可視化系統(tǒng)使用反射激光來繪制地形。
基于雷達(dá)數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊開發(fā)了一個三部分組成的算法來規(guī)劃出機器人的路徑。無論是視覺系統(tǒng)和路徑規(guī)劃系統(tǒng)都是嵌入到機器人的本體里面的，以使得它具有完整的自主控制能力。
該算法的第一個部分能夠使機器人檢測到障礙物并估計其大小和距離。研究人員設(shè)計出一個公式來簡化出一個視覺場景，其將地面表示為直線，而任何障礙物均是從這條直線偏離出的一條岔路。利用此公式，機器人可以估算出障礙物的高度和以及到其本身的距離。
一旦機器人檢測到一個障礙物，該算法便進(jìn)入其第二個部分，以使機器人在接近障礙物的過程中調(diào)節(jié)它的步態(tài)。根據(jù)障礙物的距離，算法可以預(yù)測出以跳躍的最佳位置，前腿離地，然后后腿跟著完成越障的剩余步伐，加速，然后到達(dá)最佳的落地點步伐放緩，最終安全地越過它。該“步態(tài)調(diào)整算法”一直在高速運行，每走一步都要對機器人的步幅進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程大約需要100毫秒來完成，這也大約是完成一個單步幅一半的時間。
當(dāng)機器人到達(dá)落地點，該算法的第三部分接管，以確定它的跳躍軌跡。根據(jù)障礙物的高度，機器人的速度，研究人員提出了一個公式來確定機器人的電動機應(yīng)當(dāng)施加的力的大小，以使得Cheetah機器人可以安全地越過障礙物。
但是有趣的是，研發(fā)人員說，這個算法并不是最優(yōu)的，只是一個可行的方法。研究人員指出，如果你想優(yōu)化，比如說能源效率，你會希望機器人幾乎沒有越過的的障礙，這顯然就成了悖論。而且找到一個真正的最佳解決方案需要占用大量的計算時間，在運行時，我們不希望花費大量的時間去尋找一個更好的解決方案。我們只是想一個是可行的。
研究小組首先在跑步機上測試了Cheetah機器人的彈跳力，然后在軌道上。在跑步機上，機器人被拴在一個地方，研究人員將不同高度的障礙放在皮帶上。跑步機本身只有約4米長，機器人在中間運行，所以Cheetah機器人只有1米的距離以檢測障礙物并規(guī)劃出其跳躍動作。多次運行后，Cheetah機器人成功越過了70％左右障礙物。
相比較而言，在室內(nèi)軌道試驗就要容易得多，因為機器人有更多的空間和時間，看到障礙物并規(guī)劃跳躍動作。在這些試驗中，Cheetah機器人成功越過了90％左右障礙物。
不知道大家還記不記得今年6月份的時候，火爆朋友圈的一段機器人和日本武士比試刀法的視頻。接下來我們就來說一說這款揮刀技法精湛的機器人。
（MH24揮刀斬花視頻截圖，額，花花都不放過）
今年夏天，為了紀(jì)念公司成立百周年，日本安川電機組織了一場自家的工業(yè)機器人Motoman-MH24與劍道高手町井勛的終極“揮刀斬”對決，對各種道具進(jìn)行劈砍。
說起町井勛，他可是連創(chuàng)多項世界紀(jì)錄的居合道（即以“拔刀術(shù)"為基礎(chǔ)的武術(shù)）名家，曾創(chuàng)下36分5秒刀砍1000卷草席的世界紀(jì)錄，對曾斜斬豎放的卷席，最多連砍7刀而令卷席仍然豎立不倒。最令人嘆為觀止的是，他甚至能刀劈高速飛來的BB彈，這種BB彈比棒球小4000倍，發(fā)射的初速每小時高達(dá)322公里。以一般人的反應(yīng)，根本不可能跟上如此高的速度，更不用說完成拔刀和揮刀的動作。
這次人機大戰(zhàn)的另一方——Motoman-MH24工業(yè)機器人，它除了會揮舞武士刀，還可以駕駛沙灘車，爬樓梯，躲避障礙以及應(yīng)對其他突發(fā)事故。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。
工程師們將町井勛的動作植入“MH24”的記憶晶片里，使得機器人可以隨即“遺傳”到其精準(zhǔn)的動作要領(lǐng)。
“MH24”的劍術(shù)十分了得，除了切水果之外，他還能揮刀將一只在空中翻轉(zhuǎn)的、時速達(dá)128公里的油炸大蝦切成兩瓣。“MH24”如今已獲得多個劍術(shù)方面的世界紀(jì)錄。
其實機器人和人類比賽劍術(shù)只是一個表象，深層次的技術(shù)表現(xiàn)還是在機器人對人類動作的模仿以及完成動作的精準(zhǔn)性。
我們從視頻上可以看到，首先MH24會對町井勛的揮劍動作進(jìn)行模仿，這便涉及到動作捕捉技術(shù)。技術(shù)涉及尺寸測量、物理空間里物體的定位及方位測定等方面可以由計算機直接理解處理的數(shù)據(jù)。在運動物體的關(guān)鍵部位設(shè)置跟蹤器，由Motion capture系統(tǒng)捕捉跟蹤器位置，再經(jīng)過計算機處理后得到三維空間坐標(biāo)的數(shù)據(jù)。
當(dāng)數(shù)據(jù)被計算機識別后，可以應(yīng)用在動畫制作，步態(tài)分析，生物力學(xué)，人機工程等領(lǐng)域。這項技術(shù)目前主要在各大科幻電影中被廣泛用到，而機器人要想對町井勛的揮劍動作進(jìn)行模仿就需要獲得他動作的各項數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的采集目前主要的方法是慣性導(dǎo)航式動作捕捉，通過慣性導(dǎo)航傳感器AHRS（航姿參考系統(tǒng)）、IMU（慣性測量單元）測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。不受環(huán)境干擾影響，不怕遮擋。捕捉精確度高，采樣速度高，達(dá)到每秒1000次或更高，這些都是慣性導(dǎo)航式動作捕捉的優(yōu)點。
由于采用高集成芯片、模塊，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高，慣導(dǎo)傳感器可以佩戴在表演者頭上，或通過17個傳感器組成數(shù)據(jù)服穿戴，通過USB線、藍(lán)牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯(lián)，分別可以跟蹤頭部、全身動作，實時顯示完整的動作。
（計算機對人動作數(shù)據(jù)的采集以圖形化的方式展現(xiàn)在電腦上)
另一個就是機器人動作的精準(zhǔn)性，而這也是一個機器人重要的指標(biāo)之一。我們知道，目前機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)機器人，在機器人對零件的裝配過程中，精準(zhǔn)性是必須要具備的。可想而知，機器人要想擰上一個螺絲，可是連位置都找不到，那可是很危險的。我們從視頻中可以看到，MH24在切豌豆那么薄的東西的時候都能一刀斬，可見其精準(zhǔn)性是十分優(yōu)秀的。
好了，2015年那些優(yōu)秀的大型機器人就介紹到這里，如果你要覺得不盡興，我會在下篇介紹2015年那些優(yōu)秀的機器人小精靈們。
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