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如何让机器人具备像人类一样的触觉?

2015-01-18 13:29 高工机器人网 阅读:11223
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摘要如何让机器人具备像人类一样的触觉?

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  【来源:《高工机器人》10月刊 海外速递】机器人真的只能是冷冰冰的么?科学家并不这么想,他们想让机器人能进化出“触觉”。外媒近日刊文,对触觉学的发展现状,及其与机器人技术的融合前景进行了详细介绍。
 
  在2017最新注册送白菜和仓库,机器人在力量和精度上通常都胜过人类。人工智能软件可以驾驶汽车,可以战胜国际象棋大师,还能在《危险边缘》智力问答节目中完胜人类选手。
 
  但机器仍然缺乏一些至关重要的能力,因此短期内依旧难以在很多功能上赶超人类--精密而完善的触觉便是其中之一。
 
  布雷文思正在与机器人学家肯尼斯·萨利博瑞(J. Kenneth Salibury)和萨尼·陈(Sonny Chan)合作设计一款软件,使之可以在正式手术前进行“排练”。这款程序能将X射线与磁共振成像数据进行融合,从而创造出栩栩如生的3D内耳模型,供外科医生练习之用。还可以借此对病人的头盖骨进行一场“虚拟旅行”,通过虚拟方式“感受”软骨、骨骼和软组织之间的细微差别。
 
  然而,无论多么细致入微,这款软件也只能在大致程度上为布雷文思提供粗糙的触觉感受。“要做虚拟手术,就必须有触觉。”他指的是可以通过计算机模拟技术模仿人类触觉的技术。
 
  这款软件所面临的局限在机器人行业十分典型,也正因如此,对人类而言十分本能的任务,在机器身上却很难实现。自从斯坦福人工智能实验室在上世纪六十年代设计出首款机器手臂以来,机器人已经学会了在2017最新注册送白菜里进行重复性的劳动。但在很多基本功能上却始终面临困难,例如打开处于关闭状态的门,跌倒后自己爬起来,从口袋里拿出硬币,以及在手指上转动铅笔。
 
  在学术界,这种高级的人工智能技术与拙劣的实际行动能力之间的相关性,甚至有一个专门的名称:莫拉维克悖论。这是以机器人先驱汉斯·莫拉维克(Hans Moravec)的名字命名的一种理论,他在1988年的写下了这样一段话:“要让计算机在智力测验或象棋比赛中,实现像成人一样的表现,是相对比较容易的;但是要让电脑具备如一岁小孩般的感知和行动能力,却是相当困难的,甚至完全不可能实现。”
 
  如果要让机器人像服务员、卫生员、文秘、保健员一样,与人类展开真正的协作,就必须依靠触觉学和运动学领域的进步。
 
  “这个问题很复杂,需要时间。”加州大学伯克利分校机器人学家肯·古德伯格(Ken Goldberg)说,“人类很擅长这些事情,我们经过了数百万年的进化。”
 
  人类触觉无比精密

  作为一种感觉,触觉的复杂程度远超普通人的想象。人类拥有一系列器官,可以精确地感知压力、冲力、温度和震动。(德国研究人员发现,浣熊已经进化出动物世界中最复杂的大脑功能,使之可以在黑暗中处理触觉冲动)。
 
  研究显示,人类触觉的精密程度比之前所认为的高出好几个数量级。例如,瑞典科学家在《自然》杂志上刊登论文称,人体的动态触觉(例如,当手指划过表面时的触觉)可以区分出高度不超过13纳米的凸起,也就是0.0000005英寸。
 
  这相当于一个分子的大小。按照瑞典皇家理工学院表面化学教授马克·鲁特兰德(Mark Rutland)的解释,假如人的手指像地球一样大,它足以感觉出一辆汽车和一栋房子的大小差异。
 
  生理学家认为,手指与各种表面之间的互动可以被一种名为“机械感受器”(mechanoreceptor)的器官探测到,这种器官植根于人体皮肤的不同深度中。有些能感受到物体的尺寸或形状变化,还有的可以感受到震动。
 
  具体到细微的表面震动,关键信息源自帕氏小体(Pacinian corpuscles),这是一种长约1毫米的椭圆形结构,可以在形状改变时发出信号。
 
  触觉学的目标就是复制这种敏感性,因此,这门学科在计算世界与人类相联系的过程中扮演着越来越重要的作用。触觉学最重大的进步之一是由Mako Surgical公司创造的,这是机器人学家罗尼·阿伯维茨(Rony Abovitz)2004年创办的一家公司。2006年,Mako Surgical开始提供一种机器人,能在外科医生修复膝关节炎的过程中,为其提供精确反馈。
 
  “我认为触觉学是一种将机器智能与人类智能整合起来的方式,它能让机器和人类分别发挥自己的长处。我认为二者将存在一种有趣的共生方式。”阿伯维茨说。
 
  机器人蕴含危险

  即使是在机器人的地位已经确立的工业领域,专家也担心,与机器人并肩工作的人可能面临危险。机器人已经在美国引发了数十次工人伤亡时事件。如果要真正促成机器人革命的发生,科学家就必须创造能严格遵守安全标准的机器,而且成本不能过高。
 
  “过去30年间,工业机器人一直都只关注一个指标:又快又便宜。”美国机器人公司HDT Global高级项目总监肯特·梅西(Kent Massey)说,“我们一直都看重速度,这很好,但当今的常规机器手都很死板,而且又笨重又僵硬,所以十分危险。”
 
  现在已经有很多机器手设计公司开始着眼于更加安全的产品,梅西的公司便是其中之一。波士顿的Rethink Robotics和丹麦的Universal Robots已经开发了“弹性”机器人,可以感知与人类的接触。Universal的系统将一系列位于关节处的传感器与软件相互配合,从而实现了这一功能。Rethink的机器人则使用了“串联弹性促动器”--其本质上是关节处的一些弹簧,可以模拟人体肌肉和肌腱的弹性--和声学传感器,从而让机器人在与人类接近时能放慢速度。
 
  多种辅助方案

  很多研究的重点都集中在视觉及其在触觉中的作用。Intuitive Surgical公司开发的da Vinci Xi手术系统使用了高清3D摄像头,使得医生可以通过微型手术器械,进行远程精细操作。该公司还在努力提升外科医生的视野范围和清晰度,因为当今的触觉学技术仍然远远无法满足很多手术操作的要求,例如在器官等软组织上进行必要的操作。
 
  非营利组织SRI International首席工程师科特·萨利斯伯瑞(Curt Salisbury)认为,尽管外科医生可以依据软组织提供的视觉线索来了解他手中的工具施加的压力,但很多时候,仅凭视觉仍然难以作出充分的判断。
 
  马萨诸塞州伍斯特理工学院机器人学助理教授爱德华多·特雷斯-加拉(Eduardo Torres-Jara),正在探索一条道路。他定义了一种名为“敏感机器人学”的理论,并据此开发了一个模型,只需要知道机器人的手脚与地面或物体接触的位置,便可帮助机器人实现运动、抓取和操作。
 
  “一切都是为了识别触觉事件,并很好地理解这些事件。”他说。借助能够探测微小磁力变化的人造仿生皮肤,他已经开发出了一种两腿行走的机器人,可以通过测量脚底的支撑力变化自动实现平衡,甚至大步行走。
 
  如果能够获取更加强大的计算能力,便可改善触觉能力,那么曙光或许就在前方。伯克利的机器人学家古德伯格已经开始设计一套云计算机器人系统,可以通过互联网获取强大的计算能力。
 
  “云机器人的理念令我振奋。”他说,“它可以突破我们在计算能力上面临的限制。”
 
  去年秋天,斯坦福大学机械工程副教授阿里森·奥卡姆拉(Allison Okamura)讲授了一门触觉学在线课程。学生们组装了由奥卡姆拉与他人共同设计的“hapkit”组件,然后通过编程开发了弹簧和减震器等虚拟设备,而且可以像在现实世界中一样进行操作。
 
  这些学生探索了各种新项目,调整了硬件,并相互分享了各自的项目。奥卡姆拉表示,学生们的热情完全可以理解。
 
  “如果你拥有所有的感觉--视觉、听觉、味觉、触觉和嗅觉--但有人却会逐一将其夺走,你最不愿放弃哪一种?”她问,“几乎所有人的回答都是视觉,但我的答案是触觉。”
 
  日本:年内制定机器人应用5年计划

  据海外媒体报道,日本“机器人革命实现会议”的首次会议昨日举行,会议主要讨论如何推进医疗、看护、农业及建筑工地等领域的机器人应用。
 
  据悉,会议将在年内汇总出到2020年的5年计划,力争解决日本人手不足的问题、提高生产效率以及实现机器人的普及。日本政府在此前推出的新经济增长战略中提出积极利用机器人。日本政府的新经济增长战略中提出,到2020年使制造业领域的机器人市场规模翻番。日本首相安倍晋三表示,机器人不仅可应用于制造业,还可以普及到更广泛的领域。为了普及机器人,需要建立跨领域的合作机制。
 
  数据显示,目前世界上至少有48个国家在发展机器人,其中25个国家已涉足服务型机器人开发。在日本、北美和欧洲,迄今已有7 种类型计40余款服务型机器人进入实验和半商业化应用。为了改善欧洲国家的产业外移、失业率增加等问题,欧盟决定将未来20年的经济发展重心放在机器人产业上,希望能在2020年为欧洲创造24万个就业机会。
 
  美国:研发“猎豹”机器人快过“飞人”博尔特

  据国外媒体报道,美国麻省理工学院(MIT)已经公布了它的奔跑机器猎豹最新版本,而且该校保证它的速度有一天将会超越飞人尤塞恩-博尔特。该科研组最近编写的运算法则,能让这种机器像真正的猎豹那样“跳跃”。
 
  研究人员表示,室内测试显示,机器猎豹急速奔跑的速度可达每小时10英里(16.09公里),跳过一个障碍后,它甚至能够继续奔跑,最终时速将达每小时30英里(48.28公里)。该校科研组已经用齿轮、电池和电动马达制成一个4条腿的机器猎豹,它的重量大约与一只真正的猎豹的体重相同。
 
  据悉,猎豹机器人原型机最近在软件方面取得了进展,研究人员研发出了新的“运动算法”,以此计算机器人跃起落地时双腿所需要的具体力量数据,以确保能够在既定速度下,为机器人提供支撑。机械工程学教授金尚裴认为,该机器人的跑步方式与世界级竞跑选手相近。他说:“博尔特等短跑运动员的换腿速度并非更快。事实上他们是通过增加着地力量,达到增加步幅长度的目的,因此他们能在相同频率下飞得更快。”
 
  MIT:开发出柔性机器人,能像蛇一样滑行

  过去几年,MIT计算机科学与人工智能实验室已经开发出了各种功能强大的机器人:有的能像猎鹰一样飞,有的能像鸽子一样栖息,还有的能像箭鱼一样游泳。近日,CSAIL的机器人名单上又多了一款功能更为强大的机器人,它能像蛇一样滑行。 在本周的IEEE / RSJ智能机器人和系统国际会议上,CSAIL研究人员表明将开发一个柔软的机器人手臂。
 
  这款手臂由3D打印模具组装而成,是CSAIL最近项目之一,致力于开发柔软型的机器人,让机器人更灵活,更有弹性,更能适应各种环境。
 
  传统“坚硬”型机器人由于连接关节的弊病而有诸多限制,他们不能够在狭窄的空间中移动,并且必须安装特别坚硬的部件,以此应对诸如建筑崩塌等种种危险。但柔软型机器人的可变性关节,意味着它能够在各种环境下移动自如,比如钻进细管,变换方向等。此外,由于机器富有弹性,它还能应对轻微的冲撞,并能通过冲撞来获取环境信息。
 
  但设计出这样一个独特而强大的机器人并不是一件易事。为了得出一个让机器人能适应各种环境的弹性值,该团队需要进行大量实验和复杂而精密的计算。
 
  “为让机器人能够胜任各种环境,我们将其置身于不同的环境,进行复杂的计算,得出各种环境的临界值。此外,这款所谓的‘柔软’机器人仍然需要一些坚硬的构造,诸如高压制动器等。要在口香糖一样柔软的机器人上安装这样的硬东西,需要攻克很多难关。所以,要成功开发一款真正功能强大的柔软型机器人,我们还任重而道远。”负责人Marchese如是说。
 
  此外,Marchese表示其研发的初衷是改变大家对机器人的既定看法,而不是让柔软机器人占领未来的世界。在这个机器人越来越常见,机器人威胁论甚嚣尘上的时代,这种无伤害力的橡胶柔软机器人可以缓解人类的担忧。
 
  美国:陆军拟斥资2300万美元研制扫雷机器人

  据2018年最新送彩白菜网国防注册送白菜网信息网报道,寻找和排除地雷这项工作既危险又单调,因此美陆军计划用机器人来完成这项工作。
 
  近期,美国防部宣布位于新泽西州皮卡汀尼阿森纳市的卡内基机器人公司已与陆军司令部签订了价值2300万美元的合同,研发可协助现场作战人员标记和排除地雷的自动地雷探测系统(AMDS)。
 
  早在2013年10月,军事宇航电子杂志就报道了陆军启动了研发三传感器系统来探测地雷,以及其他埋在地下的土炸弹。该系统将被安装在小型便携无人地面车上。
 
  据陆军项目经理描述,该系统共包括以下三个模块:一是地雷探测和标记的有效载荷模块,远程检测和标记表面铺设或埋藏的金属、低金属地雷和弹药分布;   二是爆炸性的危害因素检测和标记的有效载荷模块,远程检测、标志着表面铺设、部分埋藏和伪装的爆炸物;三是排除模块,远程遥控引爆表面铺设、掩埋和伪装的爆炸物。
 
  卡内基机器人公司,隶属于卡内基 - 梅隆大学的国家机器人工程中心,主要研发生产机器人组件和定制机器人,是该项目的承包商之一。陆军表示,预计AMDS相关工作将在2018年3月1日前完成。
 
  巴西:可自由移动 “机器人”式3D打印机推出

  以往3D打印机受到X、Y、Z轴的限制,可以打印物体的尺寸受到一定的限制,尺寸上的限制规定了3D打印机只能打印比自身小的物体。3D打印机如果想要打印比自身尺寸大的物体,要求智能挤出结构需在X、Y、Z轴上无限延伸。
 
  近日,巴西最着名的里约天主教大学的NEXT 3D实验室和LIFE物理计算实验室想出了一个绝妙的主意:移动。将3D打印机放置在一个可移动的设备上,在X、Y轴上无限延伸,而在Y轴的无限延伸上,3&DBot机器人3D打印机可自动打印一个临时结构,3&DBot机器人3D打印机在其上对物体进行打印。这样就可以打印比自身大的物体。这款3D打印机被研究小组称为3&DBot 机器人3D打印机。
 
  据研究小组称,他们的最终目的是开发出一台可移动设备,可以在太空中自由进行3D打印工作。目前,他们已经创造出可以自由行走的六边形机器人--3&DBot。
 
  为了使3&DBot更有效的工作,3&DBot机器人3D打印机使用了Arduino微型控制器。这个微型控制器可以使打印精确度提高。3&DBot机器人3D打印机也采用了内置无线接收器,以确保3&DBot机器人3D打印机在移动中准确定位以及准确打印物体。
 
  据研究小组称,3&DBot机器人3D打印机目前能够打印的材料包括橡皮泥、陶瓷和粘土等。这台机器人3D打印机的打印精度还有很大的提升空间。
 
  英国:机器人侍应功能升级 10秒可算出千种取物方法

  当侍应收拾碗碟,或许不再是幻想。英国伯明翰大学与欧洲多个机构合作,研发能提起不同物品的机器人,他们近日公开展出成品,这种机器人能迅速转换手势,提杯、取碟皆轻而易举。
 
  这台名为“鲍里斯”的机器人,使用由3部独立计算机组成的人工智能系统,仅需10秒便能运算出1000种拿取对象的方法,能在短时间内感应物品性质,改变铝制手臂及手指关节,拿起物品。由于制作工艺复杂,机器人的成本高达35万英镑“鲍里斯”是机器人技术的一大突破,此前机器人仅能提起固定形状及位置的物品,当物品大小形状改变,机器人便无法适应。
 
  领导研究的怀亚特教授称,研究团队以最难掌握及变化多端的碗盘作测试,结果非常成功,“鲍里斯”甚至能以两只手指执起杯耳,再提起量杯及垃圾铲。除辅助干家务外,他们希望这款机器人在5至10年内能应用到工业及医疗等领域。
 
  韩国:Yujin将用机器人取代“外卖仔”,可通过手机订餐

  机器人可以胜任很多领域的工作,但是现阶段机器人的主要工作都是帮助那些懒人,让他们的生活状态可以变得更加“懒”。
 
  Yujin这家公司最早是以真空吸尘器和Turtlebot 2机器人而闻名,目前这家公司打算测试一个大家都能买得起的自主运行的食品投送机器人。
 
  技术进步足以使低价机器人成为可能,但是更加重要的是,在技术进步上要拥有足够的自信,技术才能真正进步。Yujin将于今年10月在美国东北部地区的退休人员组成的社区中率先测试GoCart。
 
  荷兰:可控制飞翔的3D打印鸟形机器人

  据近日消息,荷兰一家Clear Flight Solutions公司使用3D打印技术制造出两只鸟形机器人(Robird),据称被用来吓退机场和农田飞行的鸟。
 
  我们知道,在种植农作物的时候常常会遇到昆虫或者鸟类侵袭,我们常常会在农田中间放置人形的物体(支架),现在打印的鸟形机器人也可以起到一定的功效。其造型十分逼真,颜色、体型以及挥动翅膀的样子。
 
  这两个鸟形机器人是由玻璃纤维和尼龙材料经3D打印而成,坚固异常即使是直接摔到地上也不会损坏。这两个鸟形机器人分别是“机器游隼”和“机器老鹰”。
 
  “机器游隼”身长58cm,翅展长度120cm,“机器老鹰”则比“机器游隼”大了一倍。它们在空中的飞行的速度可达80km/h, 需要人手动遥控操作。这两个鸟形机器人是由来自荷兰的27岁青年Nijenhuis制作,它们最多可吓退75%的鸟类,效果还很显着。而这两个鸟形机器人的制造者Nijenhuis,准备将它升级为自主控制,无需人远程控制。
 
  鸟类在机场盘旋对飞机起飞和降落构成了很大的威胁,而且风力发电机附近的鸟常常不幸被飞速旋转的叶片杀死,“机器猛禽”将在未来有望解决这个问题。

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