盤(pán)點(diǎn)20項機器人行業(yè)前沿技術(shù)

　　美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì )（IEEEE）從專(zhuān)業(yè)角度，介紹 最近在瑞典斯德哥爾摩召開(kāi)的“國際機器人與自動(dòng)化大會(huì )”（ICRA）中的20種機器人技術(shù)，設計重點(diǎn)在于以創(chuàng )新方案解決目前機器人應用中的一些難題，主要集中在控制、傳感、驅動(dòng)、操作、抓握、義肢、人形機平衡、外骨骼、飛行取物、人工智能、虛擬現實(shí)、組織微型機器人團隊等方面。

　　1.以視覺(jué)觸須傳感來(lái)校準制圖——仿生觸須機器人

　　對于那些要在現實(shí)世界中長(cháng)時(shí)間工作的觸覺(jué)機器人系統來(lái)說(shuō)，能自動(dòng)糾錯校準是其保持長(cháng)期穩定的前提，Bellabot就是這類(lèi)機器人。它像個(gè)由許多“眼球”組成的大“復眼”，每個(gè)“眼球”伸出一根仿生觸須，由電動(dòng)人造肌肉驅動(dòng)，通過(guò)攝像機提供視覺(jué)錯誤反饋，還有一個(gè)標準的工業(yè)機器人操作臺。

　　研究人員給它安裝了模擬小腦功能的適應性過(guò)濾模型，通過(guò)視覺(jué)觸須傳感圖來(lái)校準操作誤差，提高操縱機器人定向運動(dòng)的精確度。操作容錯度或傳感陣列損害都可能造成圖像缺陷，Bellabot能通過(guò)學(xué)習算法不斷調整傳感圖中的缺陷。

　　2.筋線(xiàn)驅動(dòng)結構靈活——彈性仿人類(lèi)脊椎

　　人類(lèi)脊椎由韌帶、椎間盤(pán)和肌肉來(lái)保持穩定性，強度高且轉動(dòng)靈活，模仿這樣的性能有利于機器人在未知環(huán)境中保持機械穩定性。為此，研究人員提出一種基于有機硅和筋線(xiàn)來(lái)驅動(dòng)的連續機制。

　　這種機制可用作機器人的頸部或軀干，更多集中在頸部。為了驗證各項功能，研究人員設計了一個(gè)多自由度樣機，通過(guò)彈性筋線(xiàn)模擬人類(lèi)頸部運動(dòng)，有助于將來(lái)設計機器人頸椎，還可作為一種測試平臺，開(kāi)發(fā)類(lèi)似機械的控制方案。

　　3.共同承擔重負荷——微型機器人團隊

　　這是個(gè)由許多小機器人組成的團隊。研究人員提出了一種簡(jiǎn)單的統計模型，能預測團隊的總體最大拉力，估算每個(gè)小機器昆蟲(chóng)與地面互動(dòng)的功能總和，比如在地面跑或走。

　　通過(guò)實(shí)驗檢測了三個(gè)團隊，一種是以剛毛推進(jìn)的小爬蟲(chóng)，一種是會(huì )慢走和快跑的6腳小昆蟲(chóng)，還有一種通過(guò)兩個(gè)輪子運動(dòng)的17克重微型多足機器人μTug，它們能共同承擔重負荷。比如每個(gè)μTug能在自身限制內運作，6個(gè)一組產(chǎn)生的拉力就能超過(guò)200牛頓。

　　4.筋線(xiàn)驅動(dòng)抓握多種物體——可穿戴聚合物手套

　　這是一種由聚合物材料制造、筋線(xiàn)驅動(dòng)的可穿戴機器手套，目前可套在拇指、食指、中指和手腕上，也叫做外手套體（Exo-GlovePoly）。在設計和制造上，這種外手套體還能根據不同人手的大小做調整，保護使用者不受傷，而且透氣性好，能嵌入特氟龍管來(lái)裝置線(xiàn)路。

　　它有兩個(gè)馬達，一個(gè)在拇指，另一個(gè)在食指或中指。研究人員讓一個(gè)健康志愿者做抓握實(shí)驗，測試手套的機械性能，通過(guò)連接型壓力傳感器和驅動(dòng)機制，能抓握不同形狀和大小的物體。

　　5.能與環(huán)境互動(dòng)保持平衡——有腿機器人TORO

　　有腿的仿人機器人要能執行多種任務(wù)。它們要能與環(huán)境互動(dòng)，遇到外部障礙時(shí)能扭轉身體，同時(shí)還要保持穩定協(xié)調的平衡。

　　為此，研究人員提出一種新的控制方法，把多級別控制和平衡結合。他們在仿人機器人TORO身上模擬了這種方法。為了達到恰當平衡，先把所有的任務(wù)力/力矩分配到終端受動(dòng)器，然后按照任務(wù)級別映射到連接空間。

　　6.多模式飛行取物——帶自動(dòng)吸盤(pán)的飛行器

　　研究人員給這款飛行機器人安裝了他們的專(zhuān)利技術(shù)——自動(dòng)緊密吸盤(pán)，同時(shí)考慮了負載真空泵等因素，解決了多模式飛行取物的難題。利用吸附原理和局部接觸拉力，以被動(dòng)驅動(dòng)的方式抓取不同形狀的物體。這種自動(dòng)吸附“抓手”還能用一個(gè)或多個(gè)吸盤(pán)，讓飛行器在抓取攜帶物體方面變得“多才多藝”，比如先抓住一個(gè)不放，然后再抓第二個(gè)。

　　研究人員指出，飛行器一般對重量限制非常敏感，他們用了微泵真空發(fā)生器，但這給系統帶來(lái)了新的挑戰。為了克服這些難題，他們測試了吸盤(pán)設計有無(wú)任何漏縫、驅動(dòng)力、最大抓握力，還測試了每個(gè)“抓手”零件的性能、飛行器把力道傳遞給吸盤(pán)的能力、系統吸附傾斜表面的能力，最后測試了飛行器用多個(gè)吸盤(pán)抓取多個(gè)物體的能力。

　　7.能自行移動(dòng)的“松樹(shù)”——TransHumUs移動(dòng)機器平臺

　　TransHumUs出現在最近舉行的第56屆威尼斯雙年展上，是游蕩在法國館和綠堡公園的三棵會(huì )動(dòng)的松樹(shù)，原意是將樹(shù)木從其固定的根部釋放，展現自由生命的力量。

　　TransHumUs證明了先進(jìn)的移動(dòng)機器人技術(shù)還能對當代藝術(shù)發(fā)展做出貢獻。在此次機器人大會(huì )上，研究人員從技術(shù)角度揭示了如何讓松樹(shù)自由移動(dòng)。其難點(diǎn)在于設計初始的機器平臺，讓樹(shù)木能根據自身的新陳代謝移動(dòng)。

　　8.能還原陰影區隱藏的形狀——新型場(chǎng)景工具

　　用機器人來(lái)進(jìn)行移動(dòng)繪圖時(shí)，要生成交互式靜態(tài)地圖會(huì )受到臨時(shí)出現的物體干擾，如過(guò)往車(chē)輛、行人、自行車(chē)等。對此，研究人員的解決方案是利用一系列激光點(diǎn)云，填充移動(dòng)物體在現場(chǎng)造成的濃密陰影空缺。對于那種資源受限，只允許單向映射繪圖的特殊地方，這種場(chǎng)景工具非常有價(jià)值。

　　研究人員利用一種復雜的專(zhuān)業(yè)TSDF函數在三維像素網(wǎng)格中處理激光掃描，然后用總變量（TV）調整因子結合一種專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)的數據，插入丟失的表面圖形。研究人員稱(chēng)，這項技術(shù)能填充約20平方米被移動(dòng)物體掩蓋而丟失的面積，重建后誤差范圍為5.64到9.24厘米。

　　9.指尖上的類(lèi)傳感器——多手指的集成控制機器手臂

　　雖然目前這個(gè)機器手臂只有3根手指，但每個(gè)手指能獨立運動(dòng)，極其靈活。研究人員利用裝在指尖的類(lèi)傳感器，設計了一種集成控制的機器手臂，將手指、手和手臂結合成一個(gè)控制整體，能用抓取目標給指尖定位，迅速控制整個(gè)手臂的位置和姿勢。

　　當手的位置和姿勢出錯，無(wú)法只通過(guò)指尖運動(dòng)控制時(shí)，可以通過(guò)手臂來(lái)調整錯誤，變得更平衡后跟隨指尖抓取目標。這種設計可防止抓取失敗的情況，比如抓物體時(shí)卻把目標碰到一邊，或者把物體碰翻在地?？刂剖直酆褪诌€能矯正幾厘米的位置誤差，比如放在工作臺上的某個(gè)物體，其位置相對于機器手臂是不確定的，可以裝上像Kinect那樣廉價(jià)的光學(xué)傳感器，只需提供較粗略的圖像數據，就能讓它抓住目標。

　　10.逆向運動(dòng)學(xué)加六自由度新設計——靈活如蛇的手持機器臂

　　這種手持機器臂是一種新的6-DoF（六自由度）電纜驅動(dòng)任務(wù)操作桿。利用一對結合的筋腱，讓機器臂的運動(dòng)模式基本實(shí)現了最優(yōu)化，擁有最大的速度和最大的空間配置，同時(shí)減小了手臂的總體質(zhì)量。

　　逆向運動(dòng)學(xué)方案是把6-DoF問(wèn)題分成了2個(gè)3-DoF問(wèn)題，逐級分解再把結果合并，展示的機器臂有一個(gè)關(guān)節是冗余的，其實(shí)是一種5-DoF方案。這種空間挖掘式設計最終使整體結構強度最大，而連接關(guān)節質(zhì)量最小。這種設計還能改善非手持式筋線(xiàn)操作桿，把每個(gè)自由度所需的驅動(dòng)器減少到1個(gè)。它可用于環(huán)路控制，幫機器人更容易接近目標。

　　11.輕質(zhì)低能耗控制板和彈簧驅動(dòng)器——最舒適的外骨骼

　　在外骨骼設備中，控制板能提高彈簧或驅動(dòng)器的性能。研究人員設計了一種質(zhì)量輕、耗電少的控制板，用來(lái)控制外骨骼腳踝部位的彈簧。這種控制板是兩張薄薄的電極片，涂有一層介質(zhì)材料，通過(guò)靜電吸附在一起。每片僅重1.5克，可承受100牛頓的力，能在不到30毫秒內改變狀態(tài)。

　　研究人員把控制板和彈簧串聯(lián)在一起，每個(gè)控制彈簧重26克，再將多個(gè)彈簧并聯(lián)，可以分別調整它們的硬度。通過(guò)調整彈簧數量，系統可以產(chǎn)生6個(gè)級別的硬度，力度從14到501牛頓。

　　12.差異給料控制邊角匹配——會(huì )自動(dòng)調整布料的縫紉機

　　這是一種用在自動(dòng)縫紉系統中的新型控制方法，能獨立控制縫紉單位的給料，幫助縫紉機匹配布料邊角部分，適應材料形狀的不確定和長(cháng)度變化。利用這種控制方法，可以通過(guò)端點(diǎn)檢測，獨立控制上下兩部分的給料速度，使兩塊布料保持對等。研究人員同時(shí)還提出了不同的矯正誤差方案，并進(jìn)行了實(shí)驗。

　　13.與虛擬現實(shí)結合——空間引導定位機器臂

　　這是一款利用虛擬現實(shí)（VR）或增強現實(shí)（AR）眼鏡執行定位操作的解決方案。在這一設計中，研究人員解決了如何提供信息反饋，引導手持機器臂完成空間定位的任務(wù)。把前面介紹的6-DoF或5-DoF手持式機器臂和VR或AR立體眼鏡結合，眼鏡視域中會(huì )出現一個(gè)箭頭標記，指示人工操作桿和機器臂應該到達的位置，通過(guò)比較實(shí)驗，用機器臂定位操作比人工操作桿效果更好。

　　14.通過(guò)五萬(wàn)次實(shí)驗學(xué)習挑選物品——人工智能管理

　　這款人工智能模型利用機器學(xué)習算法不斷探索人類(lèi)標簽數據庫，通過(guò)5萬(wàn)次抓取實(shí)驗，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（CNN）預測抓取位置，選擇抓取特定的目標物體。

　　15.閉路控制的接觸變形膠體——新型觸覺(jué)變形表面

　　在以往用于觸覺(jué)和柔軟機器人中的顆粒膠體設備中，形狀變化通常由人來(lái)直接控制，是開(kāi)放式的。研究人員展示的新型觸覺(jué)膠體表面，由12塊排列在一起的膠體單位組成，能統一改變形狀和力學(xué)性質(zhì)。他們設計了一種新算法，在這種觸覺(jué)膠體表面上測試了三種驅動(dòng)命令，并通過(guò)傳感器提供的深度圖，監視閉路控制的形狀變化。

　　16.“向日葵”式太陽(yáng)能電池板——雙軸機器人平臺SoRo-Track

　　SoRo-Track模型是一種雙軸的柔軟機器人驅動(dòng)器（SRA），可以像向日葵那樣隨陽(yáng)光改變方向，作為一種自動(dòng)調節的光伏太陽(yáng)能電池支持平臺，并能與建筑物結合在一起。

　　研究人員指出，與傳統驅動(dòng)器，如直流馬達、水壓發(fā)動(dòng)機或氣壓活塞相比，SRA系統越來(lái)越受歡迎，其品質(zhì)柔軟、形態(tài)簡(jiǎn)單、功率重量比高、抗干擾性強，能適應外部振動(dòng)和不利環(huán)境條件，而且設計靈活，容易調節，成本較低。

　　17.結合三個(gè)旋轉掃描鏡的旋鏡3——超廣角高速監控器

　　旋轉鏡是一種新型光學(xué)高速監控器，克服了以往高速監控器視野范圍（小于60°）的限制。最新一款稱(chēng)為旋鏡3，由3個(gè)自動(dòng)旋轉鏡組成，能實(shí)現超廣角監控，理論視野范圍達到360°。

　　根據這一機制開(kāi)發(fā)的旋鏡3樣機，平面方向的實(shí)際視野范圍超過(guò)260°，能在10毫秒內快速反應。此外，樣機結合了1000英尺/秒的高速視覺(jué)系統，能實(shí)現高速跟蹤監控。研究人員專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了視覺(jué)跟蹤算法，能毫不費力地跟蹤抓拍到被兩個(gè)人打來(lái)打去的乒乓球。

　　18.上下盤(pán)旋、翻滾自旋樣樣行——全方位飛行器模型

　　研究人員通過(guò)靜態(tài)力和力矩分析，設計了一種6個(gè)自由度的新式飛行器，外觀(guān)是一個(gè)立方體框架，內部合理地排布著(zhù)8個(gè)螺旋槳，使飛行器的靈活度達到最大。它不僅能在空中平穩地上下飛行，前后旋轉，還能自己前后翻滾，左右自旋。

　　19.五自由度的磁控微型機器人——旋轉永磁體控制平臺

　　通過(guò)電磁驅動(dòng)系統控制的微型機器人，在生物醫療和微流設備中有著(zhù)廣闊應用前景。研究人員設計了一種磁控裝置樣機，由8個(gè)較大的旋轉永磁體組成陣列，能以5個(gè)自由度精確遙控簡(jiǎn)單的無(wú)繩微磁體，精確程度達到亞毫米級。在演示中，這一系統能產(chǎn)生任意方向的場(chǎng)和梯度場(chǎng)，控制250微米的微磁體按任務(wù)路徑運動(dòng)，精確度達到39微米。

　　20.夸張動(dòng)作逗人發(fā)笑——喜劇演員機器人

　　這種機器人能做出滑稽夸張的動(dòng)作，逗人發(fā)笑，有望用來(lái)預防或治療精神疾病。研究人員指出，笑很難成為一種有效的醫療方法，因為人們至今尚未完全理解笑的機制。非語(yǔ)言的滑稽表演可能超越文化和語(yǔ)言，因此逗笑機器人有助于揭示人們?yōu)楹螘?huì )發(fā)笑。

　　研究人員對喜劇演員的夸張動(dòng)作進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)計算，提出一種人形手臂設計，擁有靈活的輕質(zhì)關(guān)節，通過(guò)雙發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)，能在廣闊空間迅速揮舞運動(dòng)。