不止是多足和輪子 曆數波士頓動力機器人的前世今生

2017/03/02

智東西()
編 | 元琛

導語:曆數波士頓動力的13款機器人,講述它的前世今生,變形金剛的機器人時代,或許很近,也或許很遠。

近日,波士頓動力正式迎來了新成員:輪式直立機器人,名為「Handle」。

波士頓動力,這是一家堅持研發理念的機器人公司,也是一家令谷歌無比糾結,又愛又恨的公司——2013 年Google 收購波士頓動力機器人,2016 年黯然出售。這其中原因較為複雜,但最重要的原因或許便是波士頓動力「不賺錢」,且能夠營收的未來過於遙遠。這明顯體現在產品方面, 比如Google 內部人士認為,消費級的服務機器人要簡潔易用,而其中非常重要的方案是:使用輪式作為機器人移動的核心。然而,從雙足到四足,從四足到六足,波士頓動力卻在「有足機器人」的道路上越走越遠。

然而現在,波士頓動力機器人大家族迎來了新成員:名為「Handle」的輪式直立機器人。沒錯,關鍵點在於「輪式」,這是不是意味著波士頓動力終於要轉型了,要邁入平民消費市場了呢?

1.波士頓動力公司

波士頓動力是一家致力於機器人快速運動以及平衡能力研究的機器人公司,主要關注機器人的快速運動能力、負重能力和擬人行為。該公司在1992年從MIT(麻省理工學院)剝離出來,自分離后便一直從事發軍事項目的研發工作,並獲得了DARPA的資助,為美國國防部、美國陸軍部隊、海軍部隊和海軍陸戰隊提供軍用機器人及相關技術諮詢服務。產品最突出的特點是模擬人類行為,主要應用於國防任務測試和極端環境救援等領域。

2.雙足機器人:Atlas 三代產品的更迭

Atlas 機器人大概是波士頓動力最有名的一款人形機器人了。它基於公司早期的PETMAN人形機器人研發(PETMAN可平衡自身並自由行走、彎曲身體、甚至做健美體操,因此用於檢測化學防護衣,模擬士兵如何在現實條件下對防護服的作用 ),先後歷經三代改版。

第一版的主要特點是Atlas需要一根長長的線進行供電,可以在實驗室環境中,走過鋪滿石塊的道路,並一直保持身體平衡不摔倒。其次,在實驗室環境中,讓Atlas保持單腳站立,引入外部撞擊,在撞擊力不是很大的情況下,Atlas仍能保持單腳站立不摔倒——會「金雞獨立」。在履帶上行走時,在一隻腳的行進路線上放置障礙物,當Atlas踩到障礙物的時候,會自動在下一步更新步態,規劃下一步的落地點離開障礙物。最後就是在野外環境進行行進實驗,在野外環境Atlas也能保持較好的平衡性。

2015年年年初,為了參加六月初的DARPA機器人挑戰賽,Atlas完成了自己的一次進化。它這次脫離了電纜的束縛,身材更加纖細,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。其供電系統是板載3.7千瓦時的鋰離子電池組,在完成包括行走,站立和使用工具等動作的情況下可以持續一個小時。強大的液壓泵可以使得Atlas在摔倒時可以有能力自己爬起來。

而第三版的Atlas可以在室內和室外進行實際操作。不過和第二版的動力一樣,Atlas仍採用電源供電和液壓驅動,它的身體內部以及腿部的感測器通過採集位姿數據使其保持身體平衡,頭上的激光雷達定位器和立體攝像機可以使Atlas規避障礙物、探測地面狀況以及完成巡航任務。這版的Atlas高1.75米,重82千克,在輕便上相較之前有所提升。在搬箱子、出門推門等過程中還需要標記點完成物體識別任務,對物體的識別等機器視覺能力有待提升,並且自己爬起來也變得更加高效。

3.四足機器人:大狗小狗與獵豹野貓

Big Dog由液壓系統驅動引擎,它的四條腿和動物一樣擁有關節,可吸收衝擊,每邁出一步就回收部分能量,以此帶動下一步。此外,Big Dog的機載計算機能夠控制軀體移動和過程感測器,還能處理通訊。其控制系統保持軀體平衡,在不同的地形選擇不同的運動和導航方式。因此它能夠適應複雜地形條件,能行走、奔跑、攀爬以及負載重物。Big Dog的體格與一隻大狗或小騾子相當,大約3英尺(約合0.9米)長,2.5英尺(約合0.76米)高,體重240磅(約合109千克)。Big Dog的奔跑速度為4英里/時(約合6.4公里/時),最大爬坡度數為35度,可在廢墟、泥地、雪地、水中行走,可負重340磅(約154千克)。

Little Dog則是一款用來研究移動的四足機器人樣機,研究人員用它來探測運動學、動態控制、環境感知與複雜地形移動之間的基本關係。Little Dog的每條腿都分別有三個電機驅動,可移動範圍非常大,能夠爬坡、也能實現動力學運動步態。Little Dog的感測器主要負責測量關節角度、電機電流、體平衡和接地觸點的狀況,機載鋰電池能保證30分鐘的連續運行。並可通過無線通信和數據採集系統,可以進行遠程遙控和數據分析。

Cheetah(獵豹)恐怕是世界上速度最快的跑步機器人了,它跑起來時速可達 28.3 英里/小時(約合45 千米/小時),打破了之前MIT機器人在1989年創下的13.1英里/時(約合21公里/時)的記錄。獵豹機器人的背部結構是關節型的,能夠隨著每一個動作靈活地來回移動,提高了步幅和奔跑速度,這與動物的運動原理相差無幾。它的驅動力來自外部的液壓泵不過,與上面提到的產品相 比,Cheetah的自主性較差,它行動時需要人為介入。

WildCat(野貓)是獵豹的下一代產品,是它的自主運行版本(無需人為介入),雖然它的速度尚未達到Cheetah的水平,但這種四腿機器人無論遇到哪種地形,也能以16英里/時(約合25公里/時)的速度奔跑。此外,它還可以快速跳躍和轉身。

4.六足機器人:全地形與垂直爬行

RHex機器人長了6條可旋轉的機械腿,以在石頭、泥地、沙地、草地、火車軌道、電線杆、樓梯等地形行走,幾乎任何地形都攔不住它。除了穿越各種複雜地形,因全身密封防水,它還能在潮濕地區執行任務。此外,專門的抗擊打設計讓它即使摔落山崖也安然無恙。RHex前後都搭載了攝像頭,操作員可在2300英尺(約合700米)外對其進行操控。

RISE是一款能夠垂直爬行的機器人,牆壁、樹木、柵欄等都不在話下。爬行過程中,RISE的腳上附有很多微型爪,它們緊緊地吸附在物體表面上。

5.豐田時代的波士頓動力:靈活的Spot/SpotMini

2016 年 5 月 底,Google 旗下的波士頓動力機器人公司將被豐田收購。這次收購的主體是豐田研究院(TOYOTA Research Institution,TRI)。2015年底豐田宣布投資 10 億美元在 Palo Alto 建立人工智慧研究院。2016 年 1 月,豐田研究院正式在矽谷成立,其大部分研發的技術跟汽車有關,但另一個重要方向是家用人工智慧產品,或許與日本助老助殘機器人業務發展有關。豐田相對來說並不急於產品變現,因此當時IEEE等媒體認為豐田或許能重續谷歌未譜完的樂曲篇章。

同年6月,波士頓動力推出他們新一款的機器人SpotMini。它是公司之前推出的家庭保姆類狗形機器人Spot的縮小版。Spot是一款「柔軟」的四足機器人,腿部非常靈活,體重達到了160磅,可以在室內和戶外等地形自由運動。而SpotMini體重降至65磅,此外它還長了機械臂。從外觀來看,SpotMini就像一頭骷髏版的長頸鹿。這隻機械臂非常靈活,機器人可以靠它來抓取和移動物體。SpotMini在靜音方面也做足了功夫。由於腿部非常靈活,Spot系列機器人甚至可以從桌子下方鑽過。最後,通過隨身攜帶的感測器,Spot的自動化也相當高。

6.今日的主角:縱跳堪比喬丹的輪式直立機器人

當地時間2月27日,波士頓動力正式迎來了新成員:輪式直立機器人,名為「Handle」。Handle約6.5英尺高(約為2米),行進速度為每小時9英里,垂直跳躍高度為4英尺(約為1.2米)。電力運行電子和液壓驅動器,一次充電的續航能力約為15英里(1英里=1.6千米)。

Handle的首要特長是搬運重物。它可用自己能扭轉的手臂台起地上的重物。它可承重45.5公斤,而在負重時機器人照樣可以輕盈地跳過障礙物。此外,Handle的運動能力也讓人羨慕,既能快速地轉圈,還能背對著快速下樓梯,輕鬆地滑下雪坡等。

據波士頓動力公司介紹,Handle使用了許多動力學、平衡、移動控制原理,這些是公司之前打造四足和雙足機器人採用過的,只不過這款機器人只有 10 個驅動關節。比起之前的機器人,它沒那麼複雜。輪子可以在水平面上快速滑行,但是Handle也可以使用腿去任何地方。換句話說,兼具輪子和腿部功能的Handle能博採兩家之長。但,這似乎也多多少少地背離了其原來的初衷,變得符合老東家谷歌的審美「簡單、易用」。

「輪子是很偉大的發明。但輪子只能在平坦的地面上工作得很好,而腿可以去到任何地方。通過結合輪子和腿,Handle兼具了輪式機器人和腿式機器人的優勢。」 波士頓動力公司創始人馬克·雷波特(Marc Raibert)在接受電氣與電子工程師學會會刊(IEEE Spectrum)採訪時說。

7.行走機器人 其實困難重重

看了上面波士頓動力對行走機器人鍥而不捨的探索以及近期出現的「妥協」,相信大家一方面可以感受到波士頓動力的那份執著,以及為其精彩的創意與發展叫好;另一方面也會產生幾個疑惑。比如,波士頓動力為什麼要執著於此?行走機器人研發中的痛點有哪些?如果輪+直立真的這麼好,除了不願意外,還有什麼原因導致他們之前並未有相關產品?

嚴格來說,波士頓動力的上述機器人均屬於仿生機器人,這是一個融合機械電子、計算機科學、人工智慧、感測及驅動技術等多門學科的高難度研究方向。在研究過程中它既可以推動仿生學、人工智慧學、計算機科學、材料科學等相關學科的發展,更可以用於利用機器人幫助人類完成更多枯燥、危險、重複性的工作。

簡單來說,機器人行走的動力問題是制約其行動的最主要的痛點之一,根據上述盤點不難發現,電源供電和液壓驅動是主流,但都面臨著嚴重的續航問題與噪音問題。其次,行走的靈活性、速度、自主性往往難以兼得,以及其他等等。行走機器人的困難還很多。

而說起輪式直立機器人的創意,Handle的誕生至少就克服了四大困難:
A.柔性控制。如果關節使用簡單的位置或速度控制,機器人在高速遇到未知的接觸面時會瞬時產生巨大的衝擊力,不僅難以控制,甚至容易損壞機器人本體;

B.大擾動下的非線性系統控制。為了承受如此大的外部擾動,用傳統的簡單線性倒立擺建模是顯然不夠的,機器人需要動用全身所有的關節,所有的運動資源來維持平衡;

C.混合控制。畢竟,只用一個連續模型是沒法做」跳躍「這種動作的。機器人同時擁有連續(關節角度、速度)和離散(與地面的接觸面位置、數目)的狀態,這屬於混合控制「Hybrid Control」的研究範疇;

D.硬體本身以及其材料問題也是不可忽視的制約條件。

如今,無人駕駛技術、新能源技術、材料技術都在飛速發展,當這些集合時,變形金剛的未來或許真的不遠了。

本文由 一點資訊 提供 原文連結

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