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      新一代的機(jī)器人

      新一代的機(jī)器人

       

       

      以往,機(jī)器人只存在于我們的幻想和科幻作品中,而現(xiàn)如今機(jī)器人已經(jīng)開始大批量地被生產(chǎn),以服務(wù)于千家萬戶。最為人們所熟知的是吸塵機(jī)器人,僅在美國已經(jīng)有超過800萬個家庭正在使用這種直徑約0.3m、高約0.1m的小型機(jī)器人來進(jìn)行家居清潔工作,除了吸塵以外,它們還可以擦地板、清潔窗戶玻璃和修剪草坪。

        不過,這僅僅是一個開始,目前,機(jī)器人的開發(fā)和生產(chǎn)成本正極速降低,商品化的機(jī)器人以及包含傳感器、支持手勢和面部識別功能的類機(jī)器人產(chǎn)品將會越來越多。

        現(xiàn)如今的機(jī)器人已經(jīng)不再都長的像人一樣,大自然提供了更有趣的模型,機(jī)器人的設(shè)計變得越來越靈活多變,而且一些機(jī)器人甚至可以連接我們現(xiàn)有的設(shè)備。例如,美國Romotive所設(shè)計的機(jī)器人Romo,這款車輛型的機(jī)器人上可以插入一部iPhone,利用智能手機(jī)的處理器充當(dāng)機(jī)器人的大腦,利用iPhone的通訊功能作為遙控的收發(fā)工具,攝像頭、麥克風(fēng)等零部件充當(dāng)機(jī)器人的傳感器。

      事實上,許多領(lǐng)域都期待著機(jī)器人的加入,特別是病人護(hù)理和防災(zāi)、抗災(zāi)等領(lǐng)域?qū)C(jī)器人更是翹首以待。下面,CHIP將為大家介紹機(jī)器人可以發(fā)揮所長的領(lǐng)域,介紹那些可能成為未來發(fā)展基石的機(jī)器人項目。

      美國研制的消防機(jī)器人

       

        日常的助手和朋友

        它們可以作為一個專業(yè)的護(hù)士或者傭人來到我們家中,這其中包括重大的研究項目和一些簡單的組裝型機(jī)器人。

        能夠想象機(jī)器人會微笑著并伸出手來要求和我們握手嗎?日本本田公司的Asimo正是專門為人際交往而設(shè)計的機(jī)器人,它能夠識別人的面孔和聲音,可以像一個服務(wù)生一樣在一大群人中穿梭以提供服務(wù)。Asimo還有一個更重要的功能是照顧長者,像日本這種人口平均年齡已經(jīng)超過65歲的國家,類似的機(jī)器人有著無限廣闊的應(yīng)用前景。

      從安撫情緒的機(jī)器人到機(jī)器人管家:東芝和松下公司以及日本的一些大學(xué)都有類似的機(jī)器人項目:RibaII能夠幫助肢體殘疾的患者活動、Myspoon能夠為殘疾人喂食。另外,松下還有一個機(jī)器人,在必要時可以變形成輪椅。不過,目前僅有少數(shù)的項目能夠進(jìn)入市場,成本過高是導(dǎo)致這些產(chǎn)品無法量產(chǎn)的主要原因。

      我過研制的老年人服務(wù)機(jī)器人

       

        與此不同的是,機(jī)器人海豹Paro,全球約有超過1700Paro機(jī)器人正在使用之中,丹麥正測試將Paro用于老年癡呆癥護(hù)理的臨床應(yīng)用,在德國也有30多個組織使用Paro展開類似的工作。這些研究工作都獲得了巨大的成功,深受廣大患者的關(guān)注和稱贊。Paro在撫摸皮毛和其他各種不同情感的手勢下會做出不同的反應(yīng),這可以給患者帶來心理上的慰藉。根據(jù)托比亞斯護(hù)理人員的介紹,Paro對于70%患有癡呆癥的人有效,部分病人因而大聲地歡呼起來,而有的患者甚至開始用語言來表達(dá)自己的情感。

        不同于情感慰藉型的機(jī)器人,服務(wù)型的機(jī)器人行動能力更強(qiáng),德國弗勞恩霍夫制造技術(shù)與自動化研究所的Care-O-Bot,就是為醫(yī)院以及私營養(yǎng)老院病人提供服務(wù)而設(shè)計的機(jī)器人。Care-O-Bot使用開源的機(jī)器人操作系統(tǒng)ROSRobotOperatingSystem),它可以照顧病人的日常生活,例如它可以完成從書架上取下一本書或者提供飲料等任務(wù)。不論是在醫(yī)療場所還是在自己的家里,它都能夠完成大量的工作,這樣的機(jī)器人實用價值非常高,但是其造價也非常昂貴,當(dāng)前最新版本的價格約200萬人民幣。因而,目前Care-O-Bot主要還是提供給各種科研院所使用。

        相比之下,使用通用的編程平臺,利用現(xiàn)成套件的機(jī)器人項目比較容易降低成本。例如微軟開發(fā)人員JordanCorrea利用Xbox控制設(shè)備Kinect和微軟的機(jī)器人開發(fā)平臺RDS4MicrosoftRoboticsDeveloperStudio4)開發(fā)設(shè)計出的馴狗師機(jī)器人DarwinBot成本就非常低廉,DarwinBot可以拋球和派狗去撿回球,并在狗成功撿回球之后提供一些狗糧作為獎勵,而且DarwinBot還允許設(shè)備的主人使用Skype進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

        危險環(huán)境下的救援

        無論是在自然環(huán)境下還是在建筑物中,救援機(jī)器人都能夠一展身手。

        救援機(jī)器人可以在倒塌的房屋中或在我們無法進(jìn)入的瓦礫中爬行搜尋生還者,它們還可以處理運(yùn)輸危險物品的汽車和地雷等爆炸裝置,救援機(jī)器人已經(jīng)在世界各個角落為我們服務(wù)了很多年。僅美國iRobot公司就已經(jīng)售出了超過3000臺的小型機(jī)器人,主要的買主是美國軍方,機(jī)器人被用于充當(dāng)戰(zhàn)爭前線的傭工。1995年日本阪神大地震,大量房屋倒塌,人們無法移動瓦礫尋找仍然生存的人,日本東北大學(xué)的活動偵測相機(jī)臨危受命,進(jìn)入現(xiàn)場負(fù)責(zé)搜救生還者。這臺相機(jī)能夠像蛇一樣蜿蜒前進(jìn),可以通過瓦礫中最狹窄的通道。

      核反應(yīng)堆事故的嚴(yán)峻考驗:近年來大紅大紫的救援機(jī)器人是日本在核反應(yīng)堆事故中使用的機(jī)器人Quince,它長約1m多,依靠輪子和橡膠履帶行動,防塵、防水,并可以抵御各種危險的化學(xué)品。在2011年的福島核事故中,僅有Quince能夠進(jìn)入核反應(yīng)堆到達(dá)指定的位置測量輻射程度,其他機(jī)器人,包括美國軍用機(jī)器人PackBot也無法完成這一艱巨的任務(wù)。甚至初次嘗試進(jìn)入反應(yīng)堆的第一代Quince1號機(jī)器人也因為通信光纜被切斷而陷入了進(jìn)退兩難的境地。因而,新的Quince機(jī)器人除了支持有線連接之外,也可以通過無線電信號來進(jìn)行遙控操作和通訊。但是由于無線電通信無法通過反應(yīng)堆的混凝土墻壁,因此,救援人員使用了兩個Quince機(jī)器人串聯(lián)起來協(xié)同工作(具體請參考本文圖表中的介紹)。

      Quince機(jī)器人

       

        Quince機(jī)器人的造價約為54萬人民幣。德國蓋爾森基興高等專業(yè)學(xué)院的蘇爾曼教授認(rèn)為,對于救援機(jī)器人來說這樣的售價過于昂貴了,并且Quince的工作方式有較高的風(fēng)險。蘇爾曼教授的想法是應(yīng)該使用一種廉價的偵測機(jī)器人探索目標(biāo)區(qū)域,然后再建立一個網(wǎng)絡(luò),從現(xiàn)場給救援隊發(fā)送圖像,最后再由具體實施救援行動的機(jī)器人進(jìn)入現(xiàn)場。蓋爾森基興高等專業(yè)學(xué)院所使用的偵測機(jī)器人是一輛載有小型路由器和電腦或者智能手機(jī)的越野模型車。模型車輛底盤上安裝攝像機(jī)作為機(jī)器人的視覺傳感器,由可接收和傳輸控制信號的可編程單片機(jī)來操作車輛,向救援隊的終端發(fā)送實時圖像。據(jù)蘇爾曼教授的計算,包括遙控車輛底盤、攝像機(jī)、單片機(jī)和路由器等設(shè)備在內(nèi),機(jī)器人的成本只需約4000元人民幣。

        自然仿生機(jī)器人

        跳蚤、魚、狗、海鷗:仿生學(xué)工程師希望能夠讓機(jī)器人更加靈活和強(qiáng)大。

      它們能夠像蛇一樣地爬行、像跳蚤一樣地跳躍、像魚一樣地游泳,甚至是像海鷗一樣地飛行,未來,將有更多機(jī)器動物會出現(xiàn)在我們的面前,它們通常比人形機(jī)器人更靈活和自然,并且它們正努力地變得比所模擬的動物更強(qiáng)大。

      仿生蜘蛛

       

      由美國軍方慷慨解囊給予財政支持的波士頓動力學(xué)公司設(shè)計了機(jī)器狗AlphaDog,它背負(fù)設(shè)備的重量可以高達(dá)200kg,它的4條腿安裝有位置傳感器,可以快速前行,在崎嶇不平的地方即使一條腿無法獲得支撐,也仍然能夠保持平衡。2012年夏天,AlphaDog將進(jìn)行實地測試,測試成功后將正式投入使用。此前,波士頓動力學(xué)公司已經(jīng)設(shè)計了一個類似AlphaDog6條腿機(jī)器人Rhex,這是一個水陸兩用機(jī)器人,可以適應(yīng)任何地形,主要用于在沼澤等特殊地形實施救援和軍事偵察行動。該公司還設(shè)計了一個能夠利用背負(fù)的二氧化碳進(jìn)行跳躍的機(jī)器沙蚤SandFlea和一個奔跑速度高達(dá)30km/h的機(jī)器獵豹Cheetah,SandFlea的跳躍高度可以超過8m。

       

      大狗機(jī)器人

       

       

      機(jī)器蜘蛛和魚:

      仿生機(jī)器人目前的發(fā)展趨勢是逐漸遠(yuǎn)離金屬框架,德國弗勞恩霍夫制造技術(shù)與自動化研究所在制作8條腿的機(jī)器人Spider時,使用三維打印機(jī)制作機(jī)器人的各個組成部分。同樣,弗勞恩霍夫研究所生產(chǎn)的機(jī)器魚也使用三維打印機(jī)制作,通過電腦控制激光束溶化薄聚酰胺粉末層,從而打印成機(jī)器人的部件,加上模擬魚類行為的程序和ATMEGA8A微控制器,機(jī)器魚的成本只需180元人民幣左右。

      機(jī)器魚不僅可以作為觀賞魚的替代品,同時它也是一個開源的學(xué)習(xí)和研究項目,德國的弗勞恩霍夫費(fèi)斯托研究所和費(fèi)斯托仿生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)(FestoBionicLearningNetwork)已經(jīng)建成了一個研究小組,至力于發(fā)展仿生自動化技術(shù)。他們已經(jīng)建造了像大象鼻子一樣能夠輕輕提取物品的機(jī)器、可以像壁虎一樣抓住任何物體表面的機(jī)器。更驚人的是,該研究所還建造了能夠完全模仿海鷗飛行動作的智能機(jī)器鳥,智能機(jī)器鳥看起來完全就是一只海鷗,它可以完成各種軍事偵察任務(wù)。

       

      機(jī)器魚博樂機(jī)器人表演

       

        作為一種生物模型,近年的發(fā)展趨勢讓類人機(jī)器模型顯得有點過時。但實際上不是這樣的,人型機(jī)器人的研究從來沒有間斷,美國國防先進(jìn)研究項目局目前正資助波士頓動力公司開發(fā)一款名為Atlas的人形機(jī)器人,這種機(jī)器人可以直立行走,并且利用手部來保持平衡以穿過狹窄的通道,可以用于偵察或緊急救援行動,很快,我們就可以看到人型機(jī)器人會卷土重來。

        機(jī)器海豹Paro是一名治療師

        該機(jī)器人能夠響應(yīng)撫摸和擁抱的手勢并發(fā)出令人愉悅的叫聲,為癡呆癥患者提供心理上的慰藉。

        機(jī)器人護(hù)理員Care-O-Bot

        弗勞恩霍夫的機(jī)器人護(hù)理員模型的身體由多部分組成,包括一些普通的電腦零部件,還可以選配微軟Kinect傳感器。

        狗教練機(jī)器人DarwinBot

        微軟工程師開發(fā)的狗教練,由Parallax公司的新型機(jī)器人EdieKinect組成,可以訓(xùn)練狗撿回拋出的球,并獎勵給狗一些狗糧。

        廢墟中的蛇相機(jī)

        活動偵測相機(jī)可以模擬蛇的動作,通過外部的毛發(fā)推動其前進(jìn),在廢墟中活動,進(jìn)行搜尋和救援。

        機(jī)器人Quince在福島反應(yīng)堆

        兩個機(jī)器人負(fù)責(zé)分析反應(yīng)堆的輻射情況,Quince1負(fù)責(zé)拍攝和測量輻射量,Quince2負(fù)責(zé)提供動力和進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

        協(xié)助救援任務(wù)

        蓋爾森基興高等專業(yè)學(xué)院正在使用的3個機(jī)器人,左邊的車輛提供初步的調(diào)查結(jié)果,橙色的空中機(jī)器人負(fù)責(zé)提供一個全局的視角,而履帶機(jī)器人可以直接進(jìn)入危險地帶執(zhí)行救援。

        獵豹機(jī)器人

      波士頓動力公司受獵豹這種動物的啟發(fā)而制作的獵豹機(jī)器人,它采用極其靈活的背部設(shè)計,是目前跑步速度最快的機(jī)器人,在跑步機(jī)上的速度可達(dá)30km/h

       

        智能機(jī)器鳥:像鳥兒一樣飛行

        Festo的空中機(jī)器人由幾十個零部件組成,合計重量不超過500g,機(jī)器人翅膀的關(guān)節(jié)能夠模擬鳥類的翅膀活動,可以在天空中像鳥一樣飛行。

        電子魚群

        德國弗勞恩霍夫制造技術(shù)和自動化研究所在機(jī)器魚上安裝紅外傳感器并通過微控制器模擬魚群的行為。機(jī)器魚使用鋰離子電池供電,可持續(xù)工作4個小時,電池耗盡后,必須充電45min。

       

       

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