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2017-02-09

研究「人形机器人」就是为了造 T-800 吗?我们还是通过 ASIMO 和 Atlas 认识「人形机器人」吧

科幻离现实还是有点远的。

为什么有的人执着于研究「人形机器人」?

在公众眼中,「人形机器人」的概念跟终结者、高达、变形金刚一样属于科幻的范畴。但 2015 年的 DARPA 机器人大赛让世人认清了「人形机器人」的真正面貌,代表人类最顶尖的机器人技术的 22 台机器人用颤颤巍巍的行动执行着人类眼中再简单不过的操作,但最终只有两台机器人完成了全部的比赛内容,在比赛的过程中,机器人发生摔倒、重启、漏油等故障也是常有的事。

几个月后,波士顿动力发布最新的 Atlas 人形机器人演示视频,在视频中 Atlas 可以「稳健」地在复杂地形上行走,并且可以实现简单的搬运、开门、跌倒爬起等动作。似乎 Atlas 将「人形机器人」的概念与现实的距离稍稍拉近了一点,但让人大跌眼镜的是,谷歌还是决定出售波士顿动力,因为该公司研发的机器人产品太过「理想主义」,离实际应用有距离,没有短期变现的能力,毕竟理想不能当饭吃。

Atlas 能适应复杂地形

不过世上不乏乐意为情怀买单的人,在谷歌做了甩手掌柜之后,日本丰田欣欣然地做了理想的接盘侠,收购了波士顿动力。

日本人对机器人的研究似乎有着与生俱来的执着,日本的机器人研究史基本上等同于「人形机器人」的发展史。自 1967 年起,日本早稻田大学「仿人机器人之父」加藤一郎教授研发出橡胶人造肌肉机器人之后,日本人就在仿人机器人领域孤独地前行了半个世纪,而本田于 2013 年推出的双足行走类人机器人 ASIMO 则代表着「人形机器人」的最高成就。

最新版的 ASIMO 除了可以行走和模拟人类各种肢体动作外,还能预先设定动作,根据人类的声音、手势来执行相应的动作,此外,ASIMO 具备了基本的辨识与记忆能力。最让人印象深刻的是,ASIMO 有一双灵巧的手,可以拧开杯盖,将杯中的液体倒入另外的容器中。与 Atlas 相比,ASIMO 更加全能

正在拧瓶盖的 ASIMO 

但对于双足机器人来说,相比于图像、语音、手势识别,机器人两只脚的运动以及平衡控制才是最难攻克的技术壁垒。美国科幻作家阿西莫夫在五十年前就有过预言:两足运动的「不平衡控制」是机器人研究真正的挑战

ASIMO 机器人采用的是比较通用的 ZMP(Zero Moment Point) 步态算法。ZMP 依据的思想是,使机器人与地面保持静止,在此条件下,只要在支撑多边形内,机器人就是瞬时平衡的,如果整个运动周期都是瞬时平衡的,那么机器人就能达到长期平衡。从释出的宣传视频能看出,ASIMO 的步态相当「稳健」,行进速度可达普通人慢走的水平。

Atlas 行走的姿态比 ASIMO 难看,根据专家分析,Atlas 采用步态算法是 Capturability步态,外界对此算法知之甚少。不过它和 ZMP 方法完全不同,Capturability 的思想是不停地快速踏步,选择合适的落脚点,保证机器人的平衡。在复杂路面上行走时,Atlas 可以保持身体平衡不摔倒,再行进路上碰到障碍物时,受阻挡的步态会自动在下一步更新,规划下一步的落脚点,避开障碍物。虽说 ASIMO 机器人比 Atlas 更加全能,但在运动和平衡的控制上,Atlas 无出其右

ASIMO 与 Atlas 在功能设计上有不小的差异,主要是因为这两款机器人应用场景的不同。

日本机器人团队研发的机器人更侧重于民用,倾向于让机器人拥有人类的外形,比如东芝的美女机器人 Ms.Aiko Chihira,仿人机器人专家的石黑浩的双胞胎机器人 Geminoid HI-1。虽然这些超拟人的机器人会引发恐怖谷效应,但在医疗康复、陪伴、服务等领域,「人形」是最舒适最自然的人机交互形态。ASIMO 机器人的外表不会设计得像 Atlas 那样硬核,而是设计得相当友善,通过这种拟人的设计方式拉近机器人与用户的距离,减少隔离感。要是服务机器人长得跟《终结者》T-600 一个样子,谁能受得了呢?

石黑浩和他的双胞胎机器人 Geminoid HI-1

但是 Atlas 不一样,它从出生起就烙上了军工的印迹。Atlas 的原型是 PETMAN 机器人,PETMAN 全称为 Protection Ensemble Test Mannequin,翻译成中文就是保护服装测试假人,目的是用于测试防护服在危险环境下的防护作用。包括 Atlas,波士顿动力公司的其他机器人产品,例如大狗 Big Dog,设计的目的是用来在战场中搬运物资,Atlas 强在运动控制,主要也是为了适应战场上复杂多变的环境。另外,和 ASIMO 不一样的是,Atlas 用液压系统代替电机,这就意味着 Atlas 有更加强劲的动力来搬运更重的物体。

工程学的目标是设计对人类有用的东西,无论是 Atlas 还是 ASIMO,其设计者们不是执着于「人形」,而是执着于机器人可以帮助人类完成的事情。若人类要创造一件在一定程度或者完全替代自己完成工作的工具,那么该工具最适工程原型就是人类本身

人类的生活环境是为了迎合人类的行为模式建造的。台阶之所以设计成现在这种形状,是因为这样的形状适合人类双足行走,像马这种四足动物上下台阶就要费很大的劲。同理,对于采用传统轮式、履带式、多足机器人来讲,很难完成上台阶、爬梯子等动作,但双足人形机器人可以很轻松地完成,同时也能很好地实现全地形行走。当然,这也要相关运动控制技术发展到足够的高度才能实现。另外,足够高级的人形机器人可以十分容易地操控人类的工具,比如驾驶汽车、飞机、轮船,同时能够替代人类在危险区域执行任务,比如救灾抢险。

1967 年加藤一郎研发的橡胶人造肌肉机器人

日本早稻田大学机器人专家高西淳夫教授说:「 『人形机器人』发展至今已经有半个世纪,但尚未在真正意义上应用于社会,所以在进行双足行走机器人研究之余,还要倾注精力在真正有助于社会的技术开发工作上。」其实,「人形机器人」的部分研究成果已经在各个领域有所应用,高西淳夫教授就曾利用相关技术,与东京一家医疗设备公司共同开发医疗产品。

所以,从「人」的角度来看,人形机器人的未来有巨大的应用潜力。

在探讨「人形机器人」时,很容易陷入伦理和道德的怪圈,欧美深受基督教「造人非上帝不能为之」观念的影响,对拟人的自动机器从根本上还存在着抵触情绪。高西淳夫也曾用日本人特有的中二言论将其提升到哲学高度:「人形机器人研究的最大问题是『宿命』,在于人的存在,如此伟大的人类是我们追求的目标,越想让机器人接近人类,就越是痛感永无止境,令人欲罢不能。」

这种玄而又玄的讨论是很难得出什么具体的结论,不过,能够为吃瓜群众们了解的是,如果能再现人类的机能和运动,那么从机器人工学的角度来看,就已经弄清楚了人类本身。


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