步行机器人之路的开始

步行机器人之路的开始
根据DRC规则(DARPA机器人挑战 - 在国防领域高级研究计划办公室主持下的机器人系统的实际测试),机器人系统必须在为人们创造的周围环境中工作并使用最常用的工具。


目前,各种机器人系统正在积极投入使用,此外,正在形成可以通过人们可以通过的新一代系统。 然而,在剧院旁边看到你之前还有很多事情需要做。


陆地和空中无人系统是现代军事的重要工具,它们的使用已经成为常态,而不是例外。 伊拉克和阿富汗的冲突导致其呈指数增长,数十亿美元用于开发和购买此类系统。

虽然像收割者无人机这样的系统引起了很多人的兴趣,但他们的地面同行的表现也值得赞扬。 由于简易爆炸装置(IED)对部署在阿富汗的部队构成最大威胁,因此“勤奋”的自动地面车辆(AHA)已经脱颖而出。 这些系统每天都涉及所谓的“愚蠢,肮脏和危险”的任务,在履行职责时,他们经常受到伤害,有时甚至是“致命的”。 尽管在机器人系统上投入了大量资金,但它们的活动领域仍然局限于中和爆炸性物体的任务,这些任务基于操作需要是完全合理的。 然而,目前,全日空的功能正在开始扩大,他们越来越多地执行侦察任务,甚至物流任务。

有机会扩大机器人系统的应用范围,而不仅仅是军事领域。 机器人系统的进步可以导致创建能够在物理或社会和认知层面上与人一起工作并与之交互的系统。 在大多数情况下,他们还能够在工业环境中(例如,在工厂中)为人们或与他们一起执行任务。 具有许多潜在任务的军用地面机器人系统可以成为每个士兵的最好朋友,例如,可以穿戴他的装备,进行高级观察,甚至将他从战场撤离。 然而,仍然存在一个大问题:现有的系统,尽管它们很丰富,却无法通过士兵可以通过的地方。 许多ANA具有高度的机动性,但它们的轮式和履带式配置限制了它们的使用。 为了使机器人百分百有用,他们需要学会走路。 “行走”应该是唯一的运动类型(机器人在空间中移动的一组协调运动),或者至少是混合设计的部分能力。

在大多数情况下,对步行系统的投资微乎其微,强大的国防企业几乎没有触及这一领域,专业公司,大学和研究机构“全力以赴”。 虽然这些系统在很大程度上很少受到关注,但是可以与人类并肩而不是与人类并肩工作的机器人的能力并没有被忽视。 诸如DRC(DARPA机器人挑战赛 - 美国国防部高级研究与发展办公室计划下的机器人系统的实际测试)等活动为这些技术提供了有效的支持。

步行机器人有许多优点:它们非常适合崎岖地形,可以爬楼梯,克服沟渠以及轮子和轨道不能工作的地方。 这些是复杂的工程任务,需要大量资源来利用民用和军用应用中的机器人。

军方考虑行走系统的首要任务之一是物流。 特别是在阿富汗,由于不利的环境条件和反叛分子的侵略行动,可能存在重大的行动问题,这可能对地面或空中平台提供的传统材料和技术供应产生不利影响。 部署人员也承担越来越多的重负荷,因为他们在服务过程中使用的设备数量不断快速增长。

Legged Squad支持系统

为此,海军陆战队和美国陆军前段时间研究了将小型载人车辆改装成自动系统的可能性; 取得显着成功的军队已经在阿富汗洛克希德·马丁公司的SMSS(小队任务支持系统)中获得了支持系统。 然而,主要担心的是SMSS和其他类似车辆无法在士兵和步兵可以移动的地方移动,他们应该协助他们。 士兵在阿富汗的展示已成为一个严重的问题,骡子被召集起来服务于支援在困难地带服役的部队。 但这种方法只是一种临时措施。

为了解决这个问题,海军陆战队目前正与DARPA合作建立一个有腿的小队支援系统(LS3)腿部支援系统。 这项工作的目标是将移动性和后勤能力结合在一个系统中,该系统可以将400磅(181 kg)的设备移动超过32 km,而无需干预24小时,并且还可以保持与其连接的单元的速度。

四脚LS3机器人成为BigDog系统的开发,该系统也是由Boston Dynamics创建的。 该机器人的最后一次现场测试是在弗吉尼亚州的年度2012进行的; 这项为期两周的工作是与海军陆战队战斗实验室合作进行的。 LS3支腿带有液压执行器,带有传感器,用于分配力并定位所有关节。 该系统可在松散,光滑和不平整的土壤上运行和保持平衡,并在失去平衡时上升。


LS3机器人具有高度的移动性,可以承受相当大的负荷。



在测试期间,演示了五种系统功能:1)语音命令; 2)夜间行动; 3)“去”订单; 4)对环境的感知; 5)智力脚设置。

LS3项目经理Joseph Heath中校将运行可靠性和平台感知确定为该系统要解决的主要任务。 虽然第一个是工程挑战,但第二个需要提高系统的认知能力。 机器人技术的这个问题并没有那么容易解决,需要引起很多关注。

如果机器人系统,步行或任何其他类型,必须在真实情况下工作,他们对部署它们的周围空间的意识将是其有效性的关键条件。

LS3计划的目标是在不增加步兵的认知负荷的情况下操作系统。 要实现这一点,必须在系统本身上进行认知负荷。

“如果您希望远程控制车辆或只是跟随操作员,我认为在这种情况下软件不是问题。 如果你想让它独自移动并在没有个人控制的情况下穿过森林,那么你突然发现自己处于完全不同的复杂程度,“计算机科学学院院长兼智能机器中心前主任Gregory Dudek教授说。

“我们有一台步行机器,他可以研究和记住特定地形的样子,因此,如果机器人再次遇到相同的地形,它不需要太多时间去理解,他已经学会了这种地形的特性。 这是可行的,但可能很难......地面环境可能是最困难的:许多障碍,许多变量和许多相互作用。 由于它们的多功能性,步行系统也有更多不同类型的故障,它们可以绊倒,跌倒,踢一些东西,但它们突破了我们能做的事情的界限。 我认为步行系统与非常复杂的设备有关,但是,正如已经提到的那样,行走移动本身的问题 - 即使在如LS3这样复杂的系统中放置脚的地方 - 也能很好地解决。


Legged Squad支持系统的步行支持系统视频(带我的字幕)

Dudek教授认为,主要任务是为系统提供远距离感知的能力:“例如,在你踩到它之前,尝试在一定距离内预先估计你克服一堆建筑碎片的能力。 我认为在这方面还有很多工作要做。 问题不仅在于机器人能够或不能到达某个地方,而是能够以多快的速度行进; 能够在不同场景中预测任务性能非常重要。 如果你无法预测任务的表现,那么就很难选择一系列行动。“

为了改善机器人的感知过程并让他们独立行动,赋予他们学习能力是很重要的。 虽然传感器可以提供情境和物理意识,但只有通过培训,机器人才能学会如何与外部环境进行最佳互动。

“非认知机器人是愚蠢的,因为他们一次又一次地犯同样的错误,”代尔夫特大学机器人研究所的Peter Jonker教授说,该机构专门研究工程和机器人/人机交互,而不是国防应用。 认知系统学会识别和获取有关对象及其属性的信息。 机器人的感知和训练的进展部分是由于能够创建大型参考表,它们是由输入和输出数据之间的认知依赖性形成的; 这是通过改进数据处理和增加机器人上的内存量来实现的。 “即使是10或15多年前,我们也没有这么大的内存......现在我们有了几亿字节的内存,所以我们可以将所有东西存储在参考表中并且它可以工作。 显然,看起来大脑的工作以及这里的概念和态度系统完全相同,“Jonker解释说。 此外,这里发挥了重要作用,提高了计算能力。

在现实世界中使用机器人

DRC测试处于功能机器人开发的最前沿,在现实世界中应用,在这种情况下是灾难援助。 它们汇集了感知,移动性和实用性等问题,它们通过与人相关的几个独特特征而得以区分。 其中之一是机器人必须工作的外部条件。 DARPA承认,灾难和灾难主要发生在为人类使用而设计的环境中,并不是混乱和结构化的。

目前,这些测试(竞赛)设想的任务包括:驾驶通用车辆; 通过一堆石头在球场下运动; 从门口清除碎屑; 打开门进入建筑物; 爬上梯子,然后进一步在建筑物周围移动; 使用工具穿过混凝土板; 检测和关闭流管附近的阀门; 并更换组件,如水泵。

DARPA没有公开提供有关机器人应具备的自治程度的信息,但在竞赛开始时表示,任务的设置方式应强调机器人在复杂任务级别的自主权的重要性,例如,机器人将被赋予独立开门的命令,而不是逐步指示和小心控制。 DARPA还将在测试期间改变通信渠道的质量,并逐步减少它,以了解机器人如何在这种情况下应对他们的任务。

杜德克教授说,机器人系统的自治水平始终是一个有争议的问题。 “谈论在这些系统中将有多少自主权,我发现空洞。 如果你希望他们最初能够很好地工作并且适合你,那么他们就没有必要过于自主......有些技术很好理解并且运作良好,但我认为在不久的将来让它们自治是一个坏主意...只是因为当问题出现时,问题是:谁将承担责任?“


弗吉尼亚理工大学团队在DRC展示了THOR的新人形机器人



弗吉尼亚理工大学团队对THOR机器人的视频演示

人形系统

虽然DRC项目没有指定参与其中的机器人的配置,但是几个团队提出了两条腿的人形模型。 这同样适用于政府提供的系统。

关于步行机器人应采取什么形式的问题引起了激烈的争论,而答案显然取决于系统的作用。 关于人形模型的使用出现了许多想法。 “这是一个有争议的问题,”杜德克解释道。 据他说,“如果你采访10机器人专家,你会得到三到四个不同的答案,并且在某种程度上这些答案是可预测的,基于人的地理位置......日本与西欧,美国和美国的人形项目之间存在明显分离。加拿大。 我个人认为,人类的双足运动不是我们现在所需要的。“

人形结构有两个关键优势:其中之一就是它们的形状使它们能够很好地适应在为人们创造的环境中工作; 第二是人们更有可能接受人形机器人。 代尔夫特大学的生物力学工程专家Heike Valleri博士解释说:“运动学和人体控制一起发展,找到了一个最佳模型,包括从能量角度来看...因此,如果我们制造具有类似特性的机器人,那么他们可能会像人一样行事。“

参加刚果民主共和国竞争的几个团队提出的项目偏离了人形概念。

在2013开始时,卡内基梅隆大学(CMU)国家机器人工程中心的一个团队宣布了其成员的详细信息。 该大学的高智能移动平台由一个名为Tartan Rescue的团队创建,获得了CHIMP(CMU高智能移动平台)的称号。 它是一个人体大小的机器人,可以在四肢各自的橡胶轨道上移动,而不是像人类一样行走。

这种移动方法的基本原理是,在轨道上行驶可以提供更快的速度,并且比开发行走解决方案更简单。 如有必要,CHIMP也可以在两肢的轨道上移动,例如,当需要使用另外两个肢体来执行困难和复杂的任务时。

根据Tartan Rescue团队负责人Tony Stents的说法,DRC的任务可能会因为移动类人机器人的特性而“尖锐化”,但在这种情况下,需要复杂性,功耗和更多的计算资源。

CHIMP能够通过每个肢体末端的四个操纵器捕获和控制物体。 他也有几乎人的力量和敏捷。

CHIMP使用板载传感器构建周围世界的3D模型,其纹理可提供态势感知并使其保持平衡。 向操作员提供相同的模型以可视化机器人的位置和方向。


CHIMP机器人采用混合设计,其中车轮运动(运动)的优势与爬楼梯和操纵物体的能力相结合。


开发团队指出由国家机器人工程中心开发的CHIMP机器人的受控关节,作为允许您在刚果民主共和国内执行各种任务的关键要素。 例如,每个肢体中的三个关节允许机器人具有类似人的抓地力。 其他主要功能包括“接收”头部和铰链传感器,它们向系统提供反馈,并允许机器人以安全的方式移动,保持物体,收集垃圾和建筑垃圾。

“就我个人而言,我认为这是正确的方向,”Dudek教授补充说:“我认为纯粹的人形模型在成本和可靠性方面很难实现效率,尽管DARPA测试在很多方面设计强调对人形机器人的需求。 事实上,你看到那些不打算为一场旨在作为人形竞赛的比赛创造人形模型的人会说些什么。 我相信无论谁赢得DARPA比赛,它都会对机器人技术的发展产生影响,即使没有优化设计,因为这个问题的答案将由该项目的最终结果给出。“

瓦莱里博士认为,人形机器人不会被广泛使用:“我认为,除了手臂和腿之外,人体形态结构不会被广泛使用; 在未来,将不会有很多可行的人形机器人。“

仿生项目(模仿生物生物)的工作不仅限于人形平台。 波士顿动力公司和麻省理工学院仿生实验室的团队正在开发机器人,这是猎豹项目(“猎豹”)的进一步发展。 这些系统已经证明了以合适的速度运行的能力。 Boe Dynamics Dynamics Cheetah机器人拥有步行机器人的世界纪录,最高速度达到28,3英里/小时(45,5 km / h)。 下一代猎豹机器人,称为Wildcat(“野猫”),将能够在没有系绳的情况下工作。 最近的Wildcat试验已经开始,露天的实际测试计划在2013结束时进行。 在解决了所有复杂的工程问题后,这类系统将在侦察和搜救行动中得到应用。


猎豹步行机器人拥有类似系统的世界速度记录



猎豹机器人跑记录的视频

已经开发了许多仿生系统,其中有设计灵感来自蟑螂和棒状昆虫等。 有些机器人有爬墙的能力; 它们的多腿配置可实现极高的移动性和稳定性。

Dudek认为认知系统可能出现的问题是他们的安全使用认证,因为他们的行为和能力在学习过程中发生变化。 由于五角大楼强加的严格要求,另一个о军队系统将遇到最大的困难。 “军事系统倾向于突破其自治的极限,但与此同时,失败的代价也会增加。”

对于步行系统的设计者来说,能量消耗可能是最大和最困难的任务。 它们采用液压和电动伺服系统的复杂设计消耗大量能源,而当前的能源技术无法满足这些需求。 在LS3机器人中,这个问题通过使用传统的内燃机解决了,但这并不适用于所有系统,需要在储能技术方面取得重大突破。

“我们仍有很大的能源问题。 我们仍然存在运输足够能量的问题,这将使系统非常高效和真正自主,“代尔夫特理工大学行走系统专家Martin Wisse博士说。 Dudek教授认为,机器人行业可以有效地从其他领域开发以解决这个问题:“我认为其他行业将给予推动力,因为移动设备的电源管理在许多领域是一个巨大的问题,例如,在电动车和便携式设备中电子设备。

机器人可以从其他行业中获益,而不仅仅是在能源领域。 毕竟,机器人所需的感官系统大多是在其他地方开发的,并且大多数符合当前的要求。

“我认为感官系统不是一个可以进行严肃的革命性研究的领域。 我相信,获得小巧便宜的高性能激光测距仪扫描仪是一个需要大量工作才能解决的问题。 这应该发生,很多人将在民用领域得到解决,“Dudek说,”激光和激光雷达技术(激光定位仪)已经变得非常流行,这些设备的功率已经增加,但它们在步行系统中的使用令人头疼。 系统的成本立即上升,因此获得一个可以承受冲击和震动的廉价,可靠的激光雷达非常重要。“

可用技术

Wisse博士注意到单个传感器的可用性,将其评估为一项重要突破:“3D的愿景正在发展,其中相当大的优点是微软的Kinect传感器。 它的真正市场远远大于机器人系统市场,所以没有必要在机器人领域开发类似的东西。“

Wisse回忆起另一个来自软件的开发。 他说,机器人机器人操作系统的开放式操作系统允许机器人编写可以将传感器(例如Kinect)与机器人集成在一起的代码。

从机械的角度来看,复杂的任务似乎关注可靠性并减少材料和部件的质量。

“我认为部署此类系统的实际问题有点平淡,这里的问题是如何处理机械故障并使系统合理可靠,”Dudek说。 - 机器人尤其需要系统的可靠性,尤其是步行机器人。 行走系统会产生很大的振动,因此您嵌入这些系统的所有部件都应能抵抗震动......因此对电力系统,电池和其他部件的要求很高。 这是一个大问题。“

一家美国公司的机器人展示了现代系统的功能性。 Wisse博士评论道:“波士顿动力公司的系统很好地应对了工程问题。 我们只需要所有组件都能顺利运行并且可靠 - 这是一个金钱和良好设计的问题。“

Valleri博士指出了为一般安全性创建轻型机器人的重要性。 “让机器人变得容易的原因有很多; 你需要的能量更少而且危险性更小。 如果你制作一个类人机器人,很可能它会和人一起工作。“ 她认为需要工作来改进执行器,并且它们应该更容易和更有效。

Wisse博士认为,不仅存在大的技术难题,还存在障碍。 目前开发机器人技术的方法并没有给行业带来太多好处,在这方面需要改变。 “我认为真正的发展只有在我们找到范围并为我们的技术和可持续发展的业务找到大量用户才能为持续发展付出代价。 我真的认为我们需要看看我们现在可以使用什么来改善人们的生活......我相信我们应该循序渐进地逐步模式,我们应该尽一切努力创造和利用市场,以及不要制定技术路线图,我们只关注技术的发展。 我不认为前进的方向是在一定时间内创造更先进的人形机器人,我相信由于大众市场的广泛创造,机器人技术可以变得更便宜。“
作者:
Alex Alexeev
原文出处:
Jane的IDR August 2013
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