解讀日本最先進(jìn)機(jī)器人ASIMO(上)
人形機(jī)器人有什么用處?本田的“ASIMO”自問(wèn)世以來(lái),就一直面對(duì)著這樣的問(wèn)題。但福島核電站事故發(fā)生后,外界的看法發(fā)生了改變,人形機(jī)器人作為能夠替代人類在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)工作的工具,贏得了全世界的關(guān)注。圍繞最先進(jìn)的人形機(jī)器人ASIMO的“三種優(yōu)秀能力”,統(tǒng)管開發(fā)的本田技術(shù)研究所基礎(chǔ)技術(shù)研究中心第5研究室室長(zhǎng)重見(jiàn)聰史接受了記者采訪。
躲避行人的能力
——人形機(jī)器人ASIMO怎么數(shù)?1臺(tái)、2臺(tái)?
重見(jiàn):我們是用“1具、2具”的數(shù)法(笑)。
——新型ASIMO現(xiàn)在有多少具?
重見(jiàn):現(xiàn)在還是研究階段的樣機(jī),總數(shù)不到10具。
——現(xiàn)在的ASIMO誕生于2011年11月,具備“智力進(jìn)化”、“身體能力進(jìn)化”、“作業(yè)功能提升”三個(gè)特點(diǎn)。
首先想請(qǐng)教的是“智力進(jìn)化”。作為“智力進(jìn)化”,ASIMO似乎是世界上最先實(shí)現(xiàn)“預(yù)測(cè)與其交錯(cuò)行進(jìn)的行人的行走方向,在前進(jìn)時(shí)避開行人”的雙足步行機(jī)器人。請(qǐng)問(wèn)其中的原理是什么?
重見(jiàn):首先,ASIMO的內(nèi)部預(yù)置了地圖信息,這是實(shí)現(xiàn)該功能的基礎(chǔ)。只要在地圖上指定目的地,ASIMO自己就會(huì)生成路線,并沿該路線運(yùn)動(dòng)。
在生成的路線上前進(jìn)時(shí),如果前方有人通過(guò),ASIMO將根據(jù)人的面部朝向和身體的傾斜等,預(yù)測(cè)人的步行速度和方向。如果有可能撞上,ASIMO就會(huì)改變方向避開,如果不會(huì)相撞,ASIMO就會(huì)繼續(xù)前進(jìn)。采用的是在躲避行人的同時(shí),細(xì)微修正路線,向目的地前進(jìn)的機(jī)制。
預(yù)測(cè)約3秒后的運(yùn)動(dòng),改變動(dòng)作
重見(jiàn):尤其重要的是預(yù)測(cè)大約3秒后的情況。如果不進(jìn)行預(yù)測(cè),ASIMO就無(wú)法及時(shí)做出反應(yīng),就會(huì)不斷停下腳步,成為只會(huì)等待行人通過(guò)的機(jī)器人(笑)。如果能預(yù)測(cè)到后續(xù)情況,即使運(yùn)行速度有限,也可以事先做出閃避。
吸納了預(yù)測(cè)、也就是時(shí)間軸的觀點(diǎn)可以說(shuō)是新型ASIMO的一大特點(diǎn)。
——為了察覺(jué)有人靠近,預(yù)測(cè)其前進(jìn)方向,ASIMO必須具備配備感知能力。請(qǐng)問(wèn)感知能力是怎樣實(shí)現(xiàn)的?
重見(jiàn):ASIMO也使用其所在空間內(nèi)設(shè)置的攝像頭等空間傳感器。另外,ASIMO自身內(nèi)置的雙目攝像頭還能識(shí)別人的臉部和身體等部位。ASIMO就是利用這些傳感器來(lái)感知周圍情況的。除此之外,還有其他的一些攝像頭和傳感器。
ASIMO在步行中避開行人。ASIMO的身高為130厘米,體重為48公斤。
——空間傳感器具體怎樣發(fā)揮工作?
重見(jiàn):比方說(shuō),空間內(nèi)存在機(jī)器人看不到的角落等場(chǎng)所。對(duì)于這些地方,要使用空間傳感器進(jìn)行感知,防止機(jī)器人撞上。起到的是彌補(bǔ)機(jī)器人的視覺(jué)盲區(qū),通知機(jī)器人的作用。
——ASIMO與行人交錯(cuò)行進(jìn)時(shí),能躲開的最快速度是多少?是否設(shè)想到了行人快步疾行時(shí)的情況?
重見(jiàn):行人的步行速度只要在4km/h以下,就能夠躲開。ASIMO本身的步行速度是2.7km/h。
使視覺(jué)傳感器與聽(tīng)覺(jué)傳感器聯(lián)動(dòng),可同時(shí)聽(tīng)取多人的聲音。
跑步時(shí)速可達(dá)9公里,單腳雙腳都能跳
——接下來(lái)就聊聊“身體能力進(jìn)化”。ASIMO的步行速度是2.7km/h,但跑步的速度已經(jīng)達(dá)到了9km/h,而且還能在凸凹不平的路面上奔跑。
有意思的是,ASIMO還是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)“單腳跳”和“雙腳跳”的人形機(jī)器人。這樣的能力是如何實(shí)現(xiàn)的?
重見(jiàn):如果跳起后在空中停留的時(shí)間不夠長(zhǎng),就做不到單腳跳和雙腳跳,因此必須保證較長(zhǎng)的滯空時(shí)間,這就必須在跳躍中保持姿態(tài)平衡。在空中保持姿態(tài)平衡是最難的地方。ASIMO單腳跳的滯空時(shí)間為0.1秒。
——落地時(shí)應(yīng)該會(huì)受到巨大的沖擊,負(fù)荷最大的是腳踝嗎?
重見(jiàn):是的。因此,ASIMO的腳踝安裝了橡膠襯套(圓柱形的橡膠部件)。腳掌與腳踝之間設(shè)置了四個(gè)橡膠襯套,用來(lái)吸收沖擊。
以9km/h的速度奔跑時(shí)的腳部動(dòng)作。可以看到雙腳在奔跑中騰空。此時(shí)的步幅為650mm,跳躍高度為155mm。
控制跳躍時(shí)的姿態(tài),穩(wěn)定重心
——單腳跳與雙腳跳是否采用了不同的姿態(tài)控制方法?
重見(jiàn):當(dāng)然,因?yàn)閱文_跳與雙腳跳時(shí)的傾斜不同,所以要加以修正。而且,雙腳跳時(shí)必須做到同步,保證兩腳同時(shí)落地。姿態(tài)修正使用的是ASIMO內(nèi)置的加速度傳感器、陀螺儀傳感器(角速度傳感器)和6軸力覺(jué)傳感器。
其實(shí),包括腳尖在內(nèi),不打滑的跳躍本身在技術(shù)上就有很大難度。準(zhǔn)備跳躍抬起腳跟時(shí),腳與地面的摩擦力將越來(lái)越小。最終達(dá)到只有腳尖接觸地面的狀態(tài),要想在這樣小的摩擦之下不打滑,就必須蹬牢地面。這就需要控制姿勢(shì),不斷進(jìn)行修正以穩(wěn)定重心。
在開發(fā)過(guò)程中,最初ASIMO的腳總是打滑,無(wú)法連續(xù)跳躍。對(duì)人來(lái)說(shuō),連續(xù)跳躍是輕而易舉的事,因此,人們往往誤以為機(jī)器人也可以輕松做到,但實(shí)際上,跳躍動(dòng)作非常復(fù)雜。
其實(shí),完全相同的跳躍是根本不存在的。計(jì)算機(jī)需要按照當(dāng)時(shí)的情況進(jìn)行計(jì)算,在不同的情況下完成完全不同的跳躍。連續(xù)跳躍必須要不斷重復(fù)這樣的計(jì)算。
每只手的手指關(guān)節(jié)自由度為13,通過(guò)油壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)細(xì)微的動(dòng)作,從而能比劃手語(yǔ)。其他部位的關(guān)節(jié)自由度為頭部3個(gè)、腰部2個(gè)、每只手臂各7個(gè)、每條腿各6個(gè)。共計(jì)57個(gè)(比舊款增加了23個(gè))。
相當(dāng)于使用了5個(gè)最新CPU
——落地時(shí)的防滑似乎也很難解決。
重見(jiàn):要腳跟先落地,吸收沖擊。同時(shí),腿及腳的關(guān)節(jié)還必須根據(jù)腳承受的力,做出靈活的反應(yīng)。如果不做相應(yīng)的修正,在落地的沖擊和滑動(dòng)的作用下,機(jī)器人就會(huì)摔倒。
而且,如果在腳落地之后才開始做出反饋,時(shí)間上會(huì)來(lái)不及。因此,ASIMO采用的機(jī)制是,在推測(cè)地面位置和落地面之后,一邊預(yù)測(cè)一邊進(jìn)行動(dòng)作,順滑地完成落地。
——瞬間完成如此多的計(jì)算似乎需要相當(dāng)高的處理能力。ASIMO的處理能力有多高?
重見(jiàn):可以認(rèn)為是安裝了5個(gè)最新的個(gè)人電腦CPU。不只是運(yùn)動(dòng)能力,ASIMO還要具備計(jì)算能力、圖像處理能力、語(yǔ)音識(shí)別能力,這些能力要求的性能也完全具備。
踢球也是小菜一碟。
6軸力覺(jué)感器檢測(cè)抓握紙杯的力道
——接下來(lái)想問(wèn)一下“作業(yè)功能提升”。ASIMO實(shí)現(xiàn)了“握住水瓶,擰開蓋子,將水倒入手中的紙杯”這樣的動(dòng)作,請(qǐng)問(wèn)ASIMO是否也能判斷該向紙杯中倒入多少水?
重見(jiàn):ASIMO的指尖安裝了6軸力覺(jué)傳感器,能夠檢測(cè)紙杯中水的重量。因此,只要向其指示要倒多重的水,ASIMO就能在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候停止倒水。
——如果抓握的力道太大,會(huì)把紙杯捏扁,這里的分寸應(yīng)該也是由6軸力覺(jué)傳感器來(lái)掌握,但倒入水后,指尖的受力會(huì)發(fā)生改變,分寸似乎很難拿捏。
重見(jiàn):的確如此,紙杯開始的重量很輕,只需輕輕抓握。但隨著杯中水的重量增大,如果不加大力道,紙杯就會(huì)滑落。基本來(lái)說(shuō),支撐紙杯的是拇指、食指和中指這3根手指,人也是如此,其余2根手指只是輔助而已。這里就要6軸力覺(jué)傳感器發(fā)揮作用,使3根手指取得平衡,對(duì)抓握方式進(jìn)行修正。
——為了讓ASIMO的動(dòng)作更加自然,貴公司是否研究了人體的機(jī)制?
重見(jiàn):我們調(diào)查了人類骨骼的構(gòu)造和肌肉的構(gòu)造。除此之外,還了解了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與角度的關(guān)系,以及怎樣的作業(yè)需要關(guān)節(jié)做出怎樣的運(yùn)動(dòng),并將這些研究結(jié)果用在了ASIMO的開發(fā)中。
能擰開水瓶的蓋子,向手中的紙杯里倒水(液體)。由拇指、食指和中指握住紙杯,其余兩根手指只起輔助作用。
目標(biāo)是貼近人類生活發(fā)揮作用
——前面請(qǐng)教了新型ASIMO的三個(gè)特點(diǎn),請(qǐng)問(wèn)這些特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)有何意義?
重見(jiàn):我們的目標(biāo)是讓ASIMO成為貼近人類生活與人共存、能發(fā)揮自身作用的存在。在瞬息萬(wàn)變的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,機(jī)器人必須做到隨機(jī)應(yīng)變?,F(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在完全相同的場(chǎng)景。我覺(jué)得,對(duì)于機(jī)器人而言,重要的不是要配合人類,而是要按照所處的環(huán)境做出反應(yīng)。
因此,機(jī)器人必須做到及時(shí)避開。把單腳跳等動(dòng)作作為研究主題,也是為了讓機(jī)器人具備姿態(tài)控制等身體能力。
另外,增加手部自由度也具有重大意義。舊型號(hào)以移動(dòng)為主,而新型ASIMO不僅能夠移動(dòng),還能利用手部進(jìn)行一些作業(yè),距離有用的機(jī)器人越來(lái)越近。畢竟如果不能發(fā)揮作用,就不能稱之為機(jī)器人。