人性化设计的机器人救生员

Vecna公司研发的这款具有人性化设计的机器人可以行走、奔跑、举起重物，甚至可以依靠由履带提供能量的接合式腿爬楼梯。
　　
有一天，你会看到关于它援救战场伤员的录像。也或许你会在它大步走过拥挤的医院长廊时与它擦肩而过。
　　
不管怎样，你有可能在毫无准备的情况下见到“Bear”(战地援助机器人)。毕竟这不是一种全自动喷涂机器人。由马萨诸塞州一家公司为美国陆军研制的这款机器人只能说是成百上千的商业机器人的后代。在机器人技术等级上，它不像是一个流水线上组装的机器人，更像是星球大战中的C3PO或施瓦辛格饰演的终结者。



Bear 的发明人Daniel Theobald 发现并用“Bear”填补了小型控测机器人和运输遥控交通工具市场之间的空白。
　　
在许多方面，它都像是直接出自科幻小说画册。不同于它的前辈们，“Bear”的灵活性不依赖于滑动、门架或转盘。它有腿，膝盖，肘以及面部。在不久的将来，它还可以蹲坐，举起一个250磅的人，并且可以把他从一段楼梯上抱下来。此外，即使是伤员在其两臂间活动，它仍可保持平衡。它坚固、灵巧、可移动，某些方面接近人的感觉。
　　
美国陆军和技术研究中心知识工程部主席加里•吉尔伯特（Gary Gilbert）指出：“我们对这一技术研究得越深入，这款机器人的外形就越接近于人，人性化的外形设计使它可以做到很多人们希望它做的事情。”
　　
填补市场空白
　　
在三年多的制作过程中，“Bear”确实采用了类似于人的外形，而且一直以来它看上去就很接近于人。美国陆军的工程师们说他们需要这些人性化的特点，因为这种机器人要承担的战场任务要求它们反应敏捷且力气足够大。初期任务包括援救战场伤员和布置炸弹——这些任务由机器人来完成会减少士兵的伤亡。
　　
“它需要到达现场，履行任务，安全返回，并且要保证伤员免受外界环境的威胁，”吉尔伯特说。
　　
尽管目前“Bear”靠轮子移动，但是现在的模型采用了履带式接合腿，这种结构保证了它可以实施更高级别的任务，包括把自己依附在地面交通工具上、在战场上履行任务的同时保证自身安全、寻找伤员并把他/她放到担架上安全撤退。
　　
Vecna科技公司总裁丹尼尔•西奥博尔德（Daniel Theobald）表示，他之所以会发明“Bear”，是因为他看到了可移动机器人市场的空白。他说这个市场之前大体上被两种机器人占据：寻找炸弹时可以避开车辆的小型“虚拟存在机器人”以及大型可远程操作的交通工具，包括坦克和无人机。
　　
西奥博尔德说，“我们在这二者之间看到了空隙。人们需要一种能够进入拥挤空间的机器人——大楼内或楼梯上这种普通交通工具无法进入的地方。但同时也要求这种机器人要足够坚固以应对这种复杂环境。”
　　
西奥博尔德预测说，他的新型机器人能够举起几百磅的重物，它的力气远远超过了一般小型可移动机器人，因为这些机器人往往不能举起大于70磅的物体。正是由于他赋予了该机器人这样的力气，所以西奥博尔德相信它能够填补这个重要的空白——抱起伤兵、举起小型交通工具、援救遭受核武器或化学武器袭击的平民以及核查被动物尸体覆盖的炸弹。西奥博尔德甚至预测该机器人可以设置在医院里，用来帮助挪动床上的病人或为截肢人员、老人提供帮助等。
　　
“为了应对这种环境，你需要非常的强壮，”西奥博尔德说，“为了救出被困人员，你需要能够抱起伤员、移开石块甚至举起汽车。”



利用动态平衡，“Bear”可以依靠履带站立、行走。

但是要实现这一点对这个项目来说并不容易。为了达到目的，西奥博尔德认为利用液压给机器人上半身提供能量至关重要。他从Quincy Ortman Cylinders公司租了1500帕的液压油缸，通过HydraForce公司生产的阀门注入。Vecna公司的设计人员还按照用户指定为系统设计了一个不依赖于方位的液压储油箱，这样一来当机器人弯腰或处于非正常姿势的时候，液体也不会流出来。
　　
“利用液压当然有利有弊，”西奥博尔德表示，“液压系统相当的重，而且会增加成本。但是这样做的好处就是可以在某一时刻将能量集中于一点。反之，如果将发电机分布于机器人全身，那就只能从每一个单独的发电机上获得能量。为了得到相同的能量，需要巨大的发电机。”西奥博尔德在麻省理工学院读研究生时期就承担了为机器人“战神”（Mars）开发网络控制算法的工作。
　　
学习平衡
　　
即使“Bear”可以提起较重的物体，它也同样面临着挑战：平衡。为了让“Bear”在抱起伤员、跨过圆木或走下山坡时也能保持平衡，它的设计者们利用了动态平衡原理。
　　
“想要在保持机器人相当稳固的同时又缩小它脚的比例，这就面临着一个平衡的问题。”西奥博尔德说。
　　
动态平衡通过机器人的腿（或轮子，视具体情况而定）保持它的重心。“Bear”像人一样需要学习在站立的时候调整重心。如果向前倾，机器人需要学习向后倾斜以把重心放在脚上。相反的情况，如果向后倾，它需要向前倾斜。



Vecna 公司在Bear 的移动关节上安装了21 个Microchip 公司的PIC 微控制器

为了实现这一点，西奥博尔德和机器人产品经理——杰米妮可（Jamie Nicole）合作开发了能够让“Bear”感知其臂、躯干和腿的传感器。一个由SpaceAge控制公司研制的躯干惯性测试装置可以探测机器人的姿势，由美国Digital公司提供的光学接合
　　
译码器跟踪机器人身体各部分的角位移。然后译码器会将探测到的信号发送到由Microchip微芯科技公司提供的21 PIC微处理器上，它与机器人的关节是一体的。关节微控制器被隔离为5块：左臂；右臂；左腿；右腿；及躯干。



Vecna的设计团队在此项目中最多有12人同时参与设计，图片从左至右是：Jamie Nichol博士,机器人产品经理,Jonathon Klein,工业设计总监，Scott Kullberg，资深软件工程师，Josh Ornstein，机器人学家，半跪的是发明人Daniel Theobald。

“我们想让它的每个关节都很灵活，这样能够降低机器人内部网络事故发生的次数。”杰米妮可指出。他在斯坦福大学读博士期间主攻气动元件和运动学。
　　
降低网络事故的发生频率很重要，Vecna公司的设计师们说，因为机器人内部由一台计算机处理最困难最复杂的工作。这个基于Linux的中央处理器——由Via科技公司生产的EPIA-M母板，进行更加周密的运算，包括根据客户指定设计的平衡算法和高级协调程序。根据这些程序做出的指令，中央处理器（CPU）会将信号发送给节点上的微控制器，然后由微控制器与发电机、阀门以及其他给机器人提供能量的调节器进行“交流”。




从后面看Bear 的液压驱动上半身，包括1500psi气缸和独立导向的液压蓄能器，它们用在每个关节上的PIC 微控制器控制

“Bear”的腿或轮子也从位于膝盖和臀部的微控制器上获取指令，早期版本的“Bear”利用轮子移动，现在的机器人模型则采用四个由发电机驱动的履带完成移动。位于膝盖上下的履带由MagMotor公司生产的2 HP刷型永久磁铁驱动，通过一个变速箱调节速度。本质上，履带构成了机器人的腿，使它能够直立、行走、爬楼梯或跨过障碍物。你可以在YouTube视频网站上看到更多处于运动状态“Bear”的视频。
　　
“我们为机器人设计了两条安装了履带的独立的腿，所以它能够在爬楼梯的时候保持与每阶楼梯顶部绝对的接触”，西奥博尔德说。这样一来，在攀登或走下楼梯时，这个厚重结实的机器人不会对楼梯造成破坏。他说，“很显然，当你抱着一个人的时候，当然要尽量减少不必要的冒险。”

早期的设计模型将轮子和履带相结合来爬楼梯。



下一个挑战：自治
　　
因为上述原因，美国陆军的工程师们表示他们对“Bear”的人性化结构设计感到满意。
　　
“许多人说，‘你们不需要那样，’”美国陆军的吉尔伯特说，“他们告诉我们，‘只需使用四个轮子或升降机’。但事实证明这些结构不适用于爬楼梯，他们不能灵活的突然转弯，而且他们不够柔和。”
　　
吉尔伯特补充说，军队同时希望能够赋予未来的“Bear”型机器人自治的智能。他说，目前，“Bear”仍然是通过远程控制进行操作。但是军队的工程师们希望最终可以使用激光、雷达和声纳型传感器让机器人具备感知、理解和应对周遭环境的能力。



Vecna 公司的设计者们利用美国Digital 公司生产的光学译码器（如图）和一个内部测试装置探测机器人的姿态和运动。



采用液压臂，机器人可以提起400 磅的重物。可以在YouTube视频网站上看到更多的视频。



“机器人仍处于幼年时期，”吉尔伯特说，“自治仍是最大的挑战。”

但是，现在“Bear”的设计师们已经成功的实现了该项目的头两个目标：理论验证和爬楼梯能力。它能够依靠履带型接合式的腿站立、奔跑。还有一系列目标需要在不远的将来实现：对预料之外障碍物做出反应；沿山坡一侧跑下来；感知周围环境。
　
“该项目的最终目标是实现机器人自治，”吉尔伯特说，“实现这个目标的唯一途径就是实践，而且我们已经开始在做了。”

http://article.cechina.cn/2009-03/20093270238041.htm