球蟲機器人

球蟲機器人是人類一直夢想著能夠製造出的一種機器人。球蟲機器人可以行動自如,能在家庭、辦公室和療養院等場所幫助人們完成各種任務。

基本介紹

• 中文名：球蟲機器人
• 外文名：Ball robot
• 特點：行動自如,能在家庭
• 對象：辦公室和療養院

球蟲機器人

人類一直夢想著能夠製造出這樣一種機器人:行動自如,能在家庭、辦公室和療養院等場所幫助人們完成各種任務。科幻作家妙筆生花,從不同角度描寫過這類機器人;科學家更是絞盡腦汁,為製造出這種機器人孜孜不倦地奮鬥了多年,但是,這個夢想似乎至今仍遙不可及:機器人如何感知並模擬環境、進行自動推理、擺弄物體以及移動等重大問題,至今尚未解決。

球蟲機器人圖片

現在,一些新穎的機器人紛紛嶄露頭角,雖然距人們的期待還很遙遠,但在技術上已有一定突破,令人嘖嘖稱奇:2002年,美國人工智慧學會(American Association for Artificial Intelligence)在加拿大阿爾伯塔省埃德蒙頓市舉行年會。一個研究小組將一台機器人放在會場入口處,結果這個聰明的傢伙很快就走到報到處向大會報到,大會工作人員分配給它一間演講廳,它自己設法找到了那裡,並在指定的時間向與會者作了簡短的自我介紹。有的機器人在博物館充當導遊,表現得像模像樣;還有的機器人可望出現在療養院、養老院等場所,照顧或陪伴患者和老人。為了讓機器人能靈活地拿取物品,計算機科學家和工程師還給它們裝上了手臂和手。這些實驗型機器人全都是立在一個底座上,底座由三四個輪子支撐著,這種結構被稱為“靜態穩定”型結構,即機器人即使在靜止時也保持直立狀態。

為了在日常環境中與人類實現有效互動,機器人必須具有一定高度。但機器人身材越高,重心也就越高,容易摔倒。為了避免摔倒,它的加速和減速動作都必須十分緩慢,還應儘量避免爬陡坡。為了解決這個問題,研究人員把靜態穩定型機器人的主體和輪式底座造得比較寬大,增強穩定性,但如此一來,進門、出門,或在家具和人群間穿行時,靈活機動性又大打折扣。

幾年前,我決定設計並建造一台瘦高型機器人——它機動靈活,能穩穩噹噹地支撐在一個球形輪子上,並由這個球輪推動著四處行走,這樣就擺脫了寬大笨重的輪式底座,可以穿越狹窄的場所。儘管這類簡單的機器人重心較高,但它仍能相當迅速地朝任何一個方向移動,由於此類系統採用了主動平衡的原理,因此被稱為“動態穩定”型,也就是說,它只有不斷對身體姿態進行必要的修正和調整,才能保持直立狀態。我意識到這是一種全新的輪式移動機器人,前人從未涉足此類設計方案,因此我想不出什麼更好的名字來稱呼它,姑且就叫它“球蟲”(ballbot)吧。

我和我的學生花了一年多的時間來琢磨這隻球蟲,研究了它的穩定性能,還考察了它是否適合在人類日常環境中工作。在這段時間裡,許多人參觀了我們的實驗室,他們看見球蟲僅靠一隻球形輪子保持平衡,且行動自如,都感到不可思議。

維持平衡

傳統機器人固定在寬大的輪式底座上來保持平衡。可是球蟲這種站在一隻球輪上的“瘦高”型機器人,行走時究竟如何保持平衡而不至於摔倒呢?

人類能保持身體的平衡,得益於內耳前庭感官的幫助。大腦把前庭感官提供的信息同來自其他感官的信息(例如視覺信息)匯集起來,並加以整合,然後發出指令,控制腿部和腳部的肌肉,使人保持直立而不至於摔倒。球蟲保持平衡的奧秘,與人類異曲同工:首先,球蟲必須設定一個它要完成的目標,比如停在某個地方不動,或者在兩個位置之間沿直線移動;其次,球蟲必須隨時了解重力的指向,能測定自己身體與這條垂線(即垂直指向地心的線)的偏離程度;第三,球蟲還必須設法讓自己腳下的球輪向任意方向滾動,並測量它在地板上走過的距離;最後,球蟲還必須擁有一套行之有效的控制策略(controlpolicy),處理它測量的各種感測信息,並據此發布命令來指揮腳下的球滾動,實現自己的目標。

從古至今,解決所謂“垂線問題”(problem of the vertical)一直極具挑戰性[見第40頁]。好在近年來,計算技術、光纖和微電子機械系統(MEMS)等研究領域取得了長足進展,我們充分利用這些新技術,獲得了成本低廉的新型方向感測裝置,用來模擬傳統旋轉式陀螺儀(spinninggyroscope)的功能。

我們採用的系統有3台光纖陀螺儀,以相互垂直的方式安裝在一個牢牢固定在球蟲身體上的盒子內[見第39頁框圖]。每台陀螺儀均由3部分構成:光源、探測器和光纖線圈,不含旋轉部件。光波在光纖線圈中以相反方向傳播,在探測器上發生相互干涉。工作時,球蟲的身體朝不同方向轉動,安裝在它裡面的3個方向感測器也隨之轉動,如此一來,探測器上接收到的光干涉條紋(interferencefringe)就會發生相應的改變。通過測量這些變化,並由一台微型電腦將這些數據信息整合起來,我們就能得到機器人身體的俯仰角(pitch,前後傾斜)、側傾角(roll,左右傾斜)以及偏轉角(yaw,繞垂直軸的旋轉)等數據。為了正確無誤地確定垂線方向,所有陀螺儀都必須考慮地球自轉這一因素。陀螺儀還會受到許多其他因素的影響,會造成誤差,時間一長,誤差積累,將引起偏移。我們的系統有3台微電子機械系統加速計,以相互垂直的方式安裝在陀螺儀盒內,同陀螺儀並排放置在一起。這些加速計為球蟲提供了每時每刻它在任意方向上的加速度數值,通過電腦的分析計算,球蟲就可以修正光纖陀螺儀的偏移,隨時掌握垂線的方向,也就是自身的傾斜角度。

以球為足

球蟲的腿——球輪的移動,巧妙地利用了機械式滑鼠原理,只不過與滑鼠恰好相反:它由滾筒推動球輪轉動,球輪則帶動機器人主體前行。

利用電機驅動一個球向四面八方滾動,有若干方法,而我們在設計球蟲驅動系統時,力求簡單。當你按住一隻機械式滑鼠四處拖動時,滑鼠底部的圓球便推著兩個相互垂直的滾筒旋轉。滑鼠對滾筒的旋轉進行測量,並將測量結果輸入電腦,電腦據此控制游標在螢幕上作相應的移動。球蟲走動的過程正好與此相反:球蟲內的電腦輸出指令,控制一對電機的運行,電機帶動滾筒,滾筒再帶動球旋轉,球蟲便可以沿任意方向走來走去了。從本質上來說,這是一種“反向滑鼠球”的驅動方式。目前,球蟲裝有兩台電機,它們控制著球的俯仰運動和側傾運動,第三台電機尚待安裝,它將控制球蟲的偏轉運動——到時候,球蟲就可以迅速面向任何方向了。

正如馬戲團的小丑踩在球上做出各種滑稽動作,球蟲也“站在”球輪上。在球和機器人主體之間,安裝了3個滾珠軸承,它們承受著機器人的重量。球輪則是一個空心鋁球,上面包裹著一層厚厚的聚氨酯橡膠,以增加摩擦,儘量減少球輪與滾筒之間出現打滑。不過打滑的現象難以避免,因此必須通過某種機制來加以補償。

為了測量球的轉動,推斷球蟲的移動距離,我們在驅動電機上安裝了光學編碼器。每個編碼器都擁有一個

固定光源,對面是一台光探測器。在光源與探測器之間,有一個固定在電機轉軸上的透明旋轉遮光板,上面塗有許多不透明的細細條紋。電機轉動,便帶動遮光板一起轉動,這樣,光源發出的光束時而被不透明的條紋擋住,時而又穿過條紋之間的空隙,到達光探測器,光探測器把計數結果傳送到球蟲的主電腦,電腦就能推算出球的轉動情況,進而確定它滾動過的距離。

進退自如

根據不同的需要,球蟲可採取不同的控制策略:前進、後退、轉身或靜立不動,從而達到自己的目標。

一言以蔽之,球蟲只要掌握了自身的傾斜狀況,便可以根據這一信息來確定滾動球輪的方式,以便保持平衡或到處走動。幸運的是,從本質上來說,球蟲就是一個倒立的單擺,物理學家早把這種機制研究得非常透徹了。我們運用最優控制理論技術,尋找驅動球蟲的最佳策略,使球蟲能夠事半功倍,順利到達目的地。球蟲的測量系統將根據它所攜帶的感測器,測量或推斷出自己在每個運動方向上的位置和速度,當然還有它身體的傾斜程度和傾斜速率。

我們運用了一種簡化的線性數學模型來描繪球蟲的動態平衡。1960年,匈牙利裔美籍數學系統理論家魯道夫·卡爾曼(Rudolf Kalman)率先提出了一種巧妙的方法,用來導出這類系統的控制策略。藉助卡爾曼的巧妙方法,通過一系列計算,球蟲就可以得到每時每刻應該及時採取的最佳控制動作。球蟲的主電腦每秒可完成數百次這樣的計算。

如果球蟲的目標是要從一處走到另一處,那么它的控制策略就是:先使球輪朝相反方向滾動一下,讓球蟲的身體略略前傾,產生一個向前運動的加速度。在接近目標位置時,球將自動加速,使球蟲的身體略略後傾,使它逐漸停下來[見第40頁框圖]。如果球蟲的目標是站立不動,那么它就應該盡力保持自身的平衡,使自己在每個方向上的位移、速度、傾斜度和傾斜速度都趨於零。

精益求精

在我們未來的生活與工作中,新一代機器人能與我們進行動態交流,而球蟲正是研製這類機器人的有效平台。

我們對球蟲的實驗才剛剛開始。在實驗過程中,我們通過無線電與球蟲交流。我們打算給它裝上一雙手臂和一個腦袋,這個腦袋可以掃視四周、俯仰自如,再加上一個雙目視覺系統和其他感測器,讓它擁有高度自主能力,成為名副其實的機器“人”。這項研究的目的是,了解這類機器人在日常環境中與人打交道時的表現,並考察它的性能、安全性以及行走能力,看看它與傳統的靜態穩定型機器人相比,究竟孰優孰劣。我們認為,要打造在日常環境中行動自如的機器人,如果繼續研製傳統靜態穩定型機器人,無疑是死路一條。

在研製動態穩定型機器人方面狠下功夫的,還不止我們這一個研究小組。其他一些研究小組推出了兩輪機器人,它們在俯仰方向上處於動態穩定狀態,不過在側傾方向上則仍是靜態穩定的。雖然與球蟲相比,這些機器人目前還不具備全方位運動能力,但將來它們卻很有希望在野外大展其靈巧敏捷的身手。

從長遠來看,仿人的動態穩定型兩足機器人將優於球蟲,特別是在上下樓梯方面,它們的本領大大高於球蟲。世界各地的研究小組正不遺餘力,研製這類結構複雜、造價不菲的機器人。我們的終極目標旨在打造出這樣的移動機器人——它能在我們生活及工作的場所自如地同我們進行動態交流。目前看來,球蟲將是我們研製這類更高級機器人的有效平台。