多技术融合催生智能化机器人

中心议题：
        *机器人领域前所未有的好时机

现在是进入机器人领域的前所未有的好时机：处理能力与日俱增，传感器技术从根本上得到改善，成本也在不断降低。最重要的是，控制这些机器人所需要的软件越来越容易获得。尽管拥有光明的发展前景，但是现在的机器人还不能称之为符合阿西莫夫(Asimov)机器人三定律的智能机器人。

但 是市场上仍然出现了几款成功的商用机器人和军用机器人。例如，iRobot公司的Roomba吸尘器采用基于行为的编程方式。Qinetiq公司的 Dragon Runner已经在伊拉克和阿富汗战争中派上用场。Roomba吸尘器是完全自主型机器人，Dragon Runner则是遥控机器人。

机器人的研发

相当多的研究人员都在研究自主和半自主机器人。随着新晋程序员和工程师参加美国三一学院(Trinity College)的家用机器人灭火比赛和FIRST机器人大赛等比赛，这种研发工作开始发挥作用。

这些学生将从大学期间所做的研究中受益，甚至将受益于商业领域的研究。乐高(Lego)公司的Mindstorms机器人玩具和美国国家仪器(NI)公司的LabVIEW机器人等产品正在使机器人实验变得更方便。

有时候大小和性能在机器人研究中也有影响。这就是Willow Garage公司的开源机器人PR2体积庞大的原因(图1a)。PR2运行机器人操作系统(ROS)，在与人一般大小的自主机器人内集成了一些重型机械、计算机硬件和软件。

图1：ROS运行在众多类似Willow Garage公司的PR2(a)和Bilibot(b)这样的平台上。Bilibot将iRobot Create与微软的Kinect结合在一起。

PR2 的计算引擎具有一对四核英特尔Xeon Core i7处理器和24GB纠错码(ECC)内存。它拥有0.5TB的硬盘驱动器和1.5TB的移动硬盘。此外还有一个32Gbps的吉比特以太网开关和用于马 达控制的EtherCAT网络。主干以太网用于包含摄像头在内的各种连接。该网络可连接到Wi-Fi和蓝牙无线网络。

该硬件 完全采用1.3kW锂离子电池组供电时可工作两小时。两小时的时间对于有些应用而言可能比较短，不过用于测试则绰绰有余(PR2主要用于测试)。这个系统 的背面还有一个运行-停止紧急按钮，该按钮可以禁用驱动马达，而使机器人的其余部分保持活动状态。同时还提供了无线版本。

PR2的手臂看起来比较古怪，但它们采用了很有意思的设计。其无源弹簧平衡系统即使在断电情况下也可使手臂保持原位不动。这还意味着，手臂可反向驱动，因此不需要破坏它们或者不需要与伺服系统斗争即可推动或移动它们。

许多装配线上的机器人手臂都非常笨重，这使得快速移动比较困难。当它们意外地碰到物体时也缺少反馈。不过PR2的手臂具有八自由度。

PR2也装载了传感器。它的两个Hokuyo UTM-30LX激光传感器可提供精确的范围信息(图2)。一个传感器安装在全方位平台上，一个传感器安装在下巴上。光是头部就安装了六个以上的摄像头，包括几个立体摄像头和带窄角立体摄像头的LED纹理投影机。

PR2可能需要的一个传感器是微软的Kinect Xbox 360。面向Kinect的底层技术由PrimeSense公司开发，可以解决机器人设计工程师几十年来一直在努力解决的一个难题：如何获得机器人环境的良好的三维表现形式？

Hokuyo 激光扫描仪等产品就是一种解决方案。与许多备选方案相比，Hokuyo激光扫描仪确实不贵，不过它的价位仍在1000美元左右。Hokuyo激光扫描仪的 优势在于其精度。Kinect的价格便宜10倍，但是它的精度损失程度也差不多是10倍。另一方面，PrimeSense整合了视频和位置信息。这对于游 戏软件和机器人来讲非常有用。Kinect可提供30帧/秒的VGA分辨率。

机器人可以通过这一信息来识别和避免障碍物。它还可以通过Kinect在游戏中使用的交互方式，利用该数据实现与人(可认为是障碍物)的交互。这种使用图像和激光系统的研究在大学中仍在进行，但是PrimeSense技术将使这个过程更加简单和经济。

甚至出现了一个OpenNI(自然交互)组织，该组织致力于通过Kinect中所使用的技术等各种技术支持用于用户交互的开放框架。OpenNI的框架将对机器人很有用，但也不局限于这个领域。

Bilibot是一个整合了ROS和Kinect的机器人(图1b)。其未来版本可能会采用PrimeSense公司的传感器来取代Kinect，这是因为Kinect需要额外的电源，而PrimeSense模块不需要USB电源。

Bilobot基于iRobot的Create平台构建，该平台运行8位Atmel ATMega微控制器。它拥有可放置笔记本电脑或移动PC的平台。PC采用类似Kinect的智能移动平台。

与PR2类似，Bilibot的设计旨在用于研究，因此灵活性和计算能力是关键因素。专用系统可能尺寸更小，价格更便宜，但这其中的界线往往是机器人研究者比较棘手的问题。

四旋翼直升机ROS

美国宾夕法尼亚大学的GRASP(通用机器人、自动化、传感和感知)实验室也采用了机器人操作系统。该实验室的四旋翼直升机机器人运行ROS并具有无线连接功能，可实现多个机器人协同工作(图3)。这些机器人可以配备夹具，这样就可以捡拾落在它们下面的物体。

图3：美国宾夕法尼亚大学GRASP实验室的四旋翼直升机机器人可以协同工作来构建结构。

该四旋翼直升机具有一套稳定的飞行系统，可以轻松地向任何方向移动。请查看GRASP网站(www.grasp.upenn.edu/)上的视频。令人印象深刻的是由三个机器人构建的一个简单结构。这种结构的接合处包含了磁铁，从而使结构的构建更加简单。

多个四旋翼直升机机器人被用来共同移动一个物体，这是一个机器人单独做不到的。多个机器人的组合还可以实现更夸张的动作。四旋翼直升机机器人可以表演惊人的杂技，穿过窗户和铁圈飞行，甚至可以贴在墙上。此外，它们可以自主运行。

这些实验中的四旋翼直升机有一个优势。它们使用外部视频传感器传回的信息。传感器和机器人组成的网络通过ROS连接在一起。

ROS：机器人操作系统

ROS是一种分布式系统。ROS系统由一组节点组成，这些节点运行通过消息传递系统通信的数据包。每个节点本质上都是网络中的一个小型Web服务器。

至少有一个主节点提供服务命名和注册设施。该主节点与互联网上的域名服务(DNS)服务器的功能基本类似。复杂的ROS系统中可能有多个主节点。这些主节点之间相互交换信息，从而使处于该环境中的其它节点能够找到服务。

这些节点能够以客户机/服务器模式以及发布/订阅模式工作。客户机/服务器模式可提供直接交互，而发布/订阅模式一般与传感器配合使用。例如，传感器可能在检测到变化时发布一个包含新信息的主题。

如果有遥感器和控制功能，则机器人可能拥有单个与之相关联的节点。机器人也可以是一个完全独立的系统。甚至遥控接口也可以是一个节点。

数据包可以收集到堆栈中。堆栈和ROS的目标通常是为最少量的工作和结构提供最多的功能。这就提供了一个比较灵活的环境，允许更方便地更改设备和算法，并且包含尽可能多的标准的复用。

例如，XML可能用来定义堆栈清单。ROS网站(www.ros.org)提供了许多数据包和堆栈的链接。ROS导航堆栈是一个项目中普遍包含的项。

另一个广泛使用的ROS数据包是点云库(PCL)。它为滤波、下采样、三维特征估算、注册、表面重建和分段等操作提供算法。点云库对于3D环境中的工作必不可少。由于需应对3D环境的诸多挑战，许多简单的机器人项目在2D环境下能够有效工作。

多个ROS数据包采用Willow Garage支持的OpenCV库。OpenCV是一个开源计算机版本库。它为来自摄像头和雷达系统等装置的数据提供图像处理。它甚至还包含各种辅助机器学习的功能。

人工智能在一些提供规划的现有ROS数据包中开始发挥作用。IBM的Watson等平台集成了自然语言处理(NLP)。这些平台可能对与人交互的机器人有用，并且可能作为ROS数据包附带。

ROS从根本上是一个用于各种机器人(包括自主和半自主装置)的研究平台，因此它在生产系统可能需要的一些装置(如安全性)之前出现。可以通过VPN保护通信安全，因为VPN无法实现细粒度管理控制，但这是另一个研究领域。

远程呈现是另一个成功案例

Qinetiq公司的Dragon Runner和iRobot公司的Packbot等半自主机器人经常被用于拆除炸 弹。这种机器人可以让控制器操纵机器人，不过这种操作往往是单向操作。

远 程呈现(Telepresence)机器人可以实现控制器与机器人看到的人之间的双向交互。许多远程呈现机器人已经面市，包括Willow Garage公司的Texia、Gostai公司的Jazz Connect、Anybots公司的QB以及VGo Communications公司的VGo(图4)。

图4：远端呈现机器人种类多样，包括Willow Garage公司的Texia(a)、Gostai公司的Jazz Connect(b)、Anybots公司的QB(c)以及VGo Communications公司的VGo(d)。

Texia运行ROS。与PR2类似，ROS被设计成一种研究平台。现在已经可以购买到面向商用设计的其它平台。这些平台被设计用于通过Web浏览器进行简单操作。它们可以实现双向音视频会议。

Gostai的Jazz Connect可以翻滚，而Anybot QB可以表演平衡动作。双轮机器人必须保持平衡，但是这类机器人的功耗不一定比相应的多轮机器人的功耗高，因为保持平衡并不需要耗费多少功率。

Gostai提供各种版本的Jazz机器人。Jazz Security机器人可以自主运行，也可以遥控工作。它集成了一个激光测距仪，可以实现更精确的传感，这使得它能够创建详细的地图。

Gostai公司还拥有自己的名为Urbi的机器人编程环境，尽管Urbi应用可以独立运行，但该平台还是与ROS集成在一起。Urbi环境的许多组成部分都是开源的。

Vgo 双轮远程呈现机器人与Anybot QB十分相似。这款机器人高4英尺，价格不到6000美元，具有内置的Wi-Fi、一个摄像头和一个显示屏。VGo这类远程呈现机器人可以让像 Lyndon Baty这样免疫系统十分脆弱的群体去实现他们无法做的事情。在Lyndon的案例中，Lyndon无法做的事情就是在德克萨斯州诺克斯市的高中上学。他 具有由于肾移植引起的多囊肾病，必须避免与他人接触。

对于越来越多的应用而言，机器人正成为更加有用和现实的替代方案。尽管还有很多工作要做，但是像ROS这样的框架将有助于改变现状。