現(xiàn)在是進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域的前所未有的好時(shí)機(jī)：處理能力與日俱增，傳感器技術(shù)從根本上得到改善，成本也在不斷降低。最重要的是，控制這些機(jī)器人所需要的軟件越來越容易獲得。盡管擁有光明的發(fā)展前景，但是現(xiàn)在的機(jī)器人還不能稱之為符合阿西莫夫(Asimov)機(jī)器人三定律的智能機(jī)器人。
但是市場(chǎng)上仍然出現(xiàn)了幾款成功的商用機(jī)器人和軍用機(jī)器人。例如，iRobot公司的Roomba吸塵器采用基于行為的編程方式。Qinetiq公司的Dragon Runner已經(jīng)在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中派上用場(chǎng)。Roomba吸塵器是完全自主型機(jī)器人，Dragon Runner則是遙控機(jī)器人。
機(jī)器人的研發(fā)
相當(dāng)多的研究人員都在研究自主和半自主機(jī)器人。隨著新晉程序員和工程師參加美國(guó)三一學(xué)院(Trinity College)的家用機(jī)器人滅火比賽和FIRST機(jī)器人大賽等比賽，這種研發(fā)工作開始發(fā)揮作用。
這些學(xué)生將從大學(xué)期間所做的研究中受益，甚至將受益于商業(yè)領(lǐng)域的研究。樂高(Lego)公司的Mindstorms機(jī)器人玩具和美國(guó)
國(guó)家儀器(NI)公司的LabVIEW機(jī)器人等產(chǎn)品正在使機(jī)器人實(shí)驗(yàn)變得更方便。
有時(shí)候大小和性能在機(jī)器人研究中也有影響。這就是Willow Garage公司的開源機(jī)器人PR2體積龐大的原因(圖1a)。PR2運(yùn)行機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)，在與人一般大小的自主機(jī)器人內(nèi)集成了一些重型機(jī)械、計(jì)算機(jī)硬件和軟件。
圖1：ROS運(yùn)行在眾多類似Willow Garage公司的PR2(a)和Bilibot(b)這樣的平臺(tái)上。
Bilibot將iRobot Create與微軟的Kinect結(jié)合在一起
PR2的計(jì)算引擎具有一對(duì)四核英特爾Xeon Core i7處理器和24GB糾錯(cuò)碼(ECC)內(nèi)存。它擁有0.5TB的硬盤驅(qū)動(dòng)器和1.5TB的移動(dòng)硬盤。此外還有一個(gè)32Gbps的吉比特以太網(wǎng)開關(guān)和用于馬達(dá)控制的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。主干以太網(wǎng)用于包含攝像頭在內(nèi)的各種連接。該網(wǎng)絡(luò)可連接到Wi-Fi和藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)。
該硬件完全采用1.3kW鋰離子電池組供電時(shí)可工作兩小時(shí)。兩小時(shí)的時(shí)間對(duì)于有些應(yīng)用而言可能比較短，不過用于測(cè)試則綽綽有余(PR2主要用于測(cè)試)。這個(gè)系統(tǒng)的背面還有一個(gè)運(yùn)行-停止緊急按鈕，該按鈕可以禁用驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，而使機(jī)器人的其余部分保持活動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)還提供了無線版本。
PR2的手臂看起來比較古怪，但它們采用了很有意思的設(shè)計(jì)。其無源彈簧平衡系統(tǒng)即使在斷電情況下也可使手臂保持原位不動(dòng)。這還意味著，手臂可反向驅(qū)動(dòng)，因此不需要破壞它們或者不需要與伺服系統(tǒng)斗爭(zhēng)即可推動(dòng)或移動(dòng)它們。
許多裝配線上的機(jī)器人手臂都非常笨重，這使得快速移動(dòng)比較困難。當(dāng)它們意外地碰到物體時(shí)也缺少反饋。不過PR2的手臂具有八自由度。
PR2也裝載了傳感器。它的兩個(gè)Hokuyo UTM-30LX激
光傳感器可提供精確的范圍信息(圖2)。一個(gè)傳感器安裝在全方位平臺(tái)上，一個(gè)傳感器安裝在下巴上。光是頭部就安裝了六個(gè)以上的攝像頭，包括幾個(gè)立體攝像頭和帶窄角立體攝像頭的LED紋理投影機(jī)。
PR2可能需要的一個(gè)傳感器是微軟的Kinect Xbox 360。面向Kinect的底層技術(shù)由PrimeSense公司開發(fā)，可以解決機(jī)器人設(shè)計(jì)工程師幾十年來一直在努力解決的一個(gè)難題：如何獲得機(jī)器人環(huán)境的良好的三維表現(xiàn)形式？
Hokuyo激光掃描儀等產(chǎn)品就是一種解決方案。與許多備選方案相比，Hokuyo激光掃描儀確實(shí)不貴，不過它的價(jià)位仍在1000美元左右。Hokuyo激光掃描儀的優(yōu)勢(shì)在于其精度。Kinect的價(jià)格便宜10倍，但是它的精度損失程度也差不多是10倍。另一方面，PrimeSense整合了視頻和位置信息。這對(duì)于游戲軟件和機(jī)器人來講非常有用。Kinect可提供30幀/秒的VGA分辨率。
機(jī)器人可以通過這一信息來識(shí)別和避免障礙物。它還可以通過Kinect在游戲中使用的交互方式，利用該數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與人(可認(rèn)為是障礙物)的交互。這種使用圖像和激光系統(tǒng)的研究在大學(xué)中仍在進(jìn)行，但是PrimeSense技術(shù)將使這個(gè)過程更加簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。
甚至出現(xiàn)了一個(gè)OpenNI(自然交互)組織，該組織致力于通過Kinect中所使用的技術(shù)等各種技術(shù)支持用于用戶交互的開放框架。OpenNI的框架將對(duì)機(jī)器人很有用，但也不局限于這個(gè)領(lǐng)域。
Bilibot是一個(gè)整合了ROS和Kinect的機(jī)器人(圖1b)。其未來版本可能會(huì)采用PrimeSense公司的傳感器來取代Kinect，這是因?yàn)镵inect需要額外的電源，而PrimeSense模塊不需要USB電源。
Bilobot基于iRobot的Create平臺(tái)構(gòu)建，該平臺(tái)運(yùn)行8位Atmel ATMega微控制器。它擁有可放置筆記本電腦或移動(dòng)PC的平臺(tái)。PC采用類似Kinect的智能移動(dòng)平臺(tái)。
與PR2類似，Bilibot的設(shè)計(jì)旨在用于研究，因此靈活性和計(jì)算能力是關(guān)鍵因素。專用系統(tǒng)可能尺寸更小，價(jià)格更便宜，但這其中的界線往往是機(jī)器人研究者比較棘手的問題。
四旋翼直升機(jī)ROS
美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的GRASP(通用機(jī)器人、自動(dòng)化、傳感和感知)實(shí)驗(yàn)室也采用了機(jī)器人操作系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)室的四旋翼直升機(jī)機(jī)器人運(yùn)行ROS并具有無線連接功能，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)器人協(xié)同工作(圖3)。這些機(jī)器人可以配備夾具，這樣就可以撿拾落在它們下面的物體。
圖3：美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)GRASP實(shí)驗(yàn)室的四旋翼直升機(jī)機(jī)器人可以協(xié)同工作來構(gòu)建結(jié)構(gòu)
該四旋翼直升機(jī)具有一套穩(wěn)定的飛行系統(tǒng)，可以輕松地向任何方向移動(dòng)。請(qǐng)查看GRASP網(wǎng)站(www.grasp.upenn.edu/)上的視頻。令人印象深刻的是由三個(gè)機(jī)器人構(gòu)建的一個(gè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的接合處包含了磁鐵，從而使結(jié)構(gòu)的構(gòu)建更加簡(jiǎn)單。
多個(gè)四旋翼直升機(jī)機(jī)器人被用來共同移動(dòng)一個(gè)物體，這是一個(gè)機(jī)器人單獨(dú)做不到的。多個(gè)機(jī)器人的組合還可以實(shí)現(xiàn)更夸張的動(dòng)作。四旋翼直升機(jī)機(jī)器人可以表演驚人的雜技，穿過窗戶和鐵圈飛行，甚至可以貼在墻上。此外，它們可以自主運(yùn)行。
這些實(shí)驗(yàn)中的四旋翼直升機(jī)有一個(gè)優(yōu)勢(shì)。它們使用外部視頻傳感器傳回的信息。傳感器和機(jī)器人組成的網(wǎng)絡(luò)通過ROS連接在一起。
ROS：機(jī)器人操作系統(tǒng)
ROS是一種分布式系統(tǒng)。ROS系統(tǒng)由一組節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)運(yùn)行通過消息傳遞系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)包。每個(gè)節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上都是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)小型Web服務(wù)器。
至少有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)命名和注冊(cè)設(shè)施。該主節(jié)點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)上的域名服務(wù)(DNS)服務(wù)器的功能基本類似。復(fù)雜的ROS系統(tǒng)中可能有多個(gè)主節(jié)點(diǎn)。這些主節(jié)點(diǎn)之間相互交換信息，從而使處于該環(huán)境中的其它節(jié)點(diǎn)能夠找到服務(wù)。
這些節(jié)點(diǎn)能夠以客戶機(jī)/服務(wù)器模式以及發(fā)布/訂閱模式工作。客戶機(jī)/服務(wù)器模式可提供直接交互，而發(fā)布/訂閱模式一般與傳感器配合使用。例如，傳感器可能在檢測(cè)到變化時(shí)發(fā)布一個(gè)包含新信息的主題。
如果有遙感器和控制功能，則機(jī)器人可能擁有單個(gè)與之相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)。機(jī)器人也可以是一個(gè)完全獨(dú)立的系統(tǒng)。甚至遙控接口也可以是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
數(shù)據(jù)包可以收集到堆棧中。堆棧和ROS的目標(biāo)通常是為最少量的工作和結(jié)構(gòu)提供最多的功能。這就提供了一個(gè)比較靈活的環(huán)境，允許更方便地更改設(shè)備和算法，并且包含盡可能多的標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)用。
例如，XML可能用來定義堆棧清單。ROS網(wǎng)站(www.ros.org)提供了許多數(shù)據(jù)包和堆棧的鏈接。ROS導(dǎo)航堆棧是一個(gè)項(xiàng)目中普遍包含的項(xiàng)。
另一個(gè)廣泛使用的ROS數(shù)據(jù)包是點(diǎn)云庫(kù)(PCL)。它為濾波、下采樣、三維特征估算、注冊(cè)、表面重建和分段等操作提供算法。點(diǎn)云庫(kù)對(duì)于3D環(huán)境中的工作必不可少。由于需應(yīng)對(duì)3D環(huán)境的諸多挑戰(zhàn)，許多簡(jiǎn)單的機(jī)器人項(xiàng)目在2D環(huán)境下能夠有效工作。
多個(gè)ROS數(shù)據(jù)包采用Willow Garage支持的OpenCV庫(kù)。OpenCV是一個(gè)開源計(jì)算機(jī)版本庫(kù)。它為來自攝像頭和雷達(dá)系統(tǒng)等裝置的數(shù)據(jù)提供圖像處理。它甚至還包含各種輔助機(jī)器學(xué)習(xí)的功能。
人工智能在一些提供規(guī)劃的現(xiàn)有ROS數(shù)據(jù)包中開始發(fā)揮作用。IBM的Watson等平臺(tái)集成了自然語(yǔ)言處理(NLP)。這些平臺(tái)可能對(duì)與人交互的機(jī)器人有用，并且可能作為ROS數(shù)據(jù)包附帶。
ROS從根本上是一個(gè)用于各種機(jī)器人(包括自主和半自主裝置)的研究平臺(tái)，因此它在生產(chǎn)系統(tǒng)可能需要的一些裝置(如安全性)之前出現(xiàn)。可以通過VPN保護(hù)通信安全，因?yàn)閂PN無法實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度管理控制，但這是另一個(gè)研究領(lǐng)域。
遠(yuǎn)程呈現(xiàn)是另一個(gè)成功案例
Qinetiq公司的Dragon Runner和iRobot公司的Packbot等半自主機(jī)器人經(jīng)常被用于拆除炸 彈。這種機(jī)器人可以讓控制器操縱機(jī)器人，不過這種操作往往是單向操作。
遠(yuǎn)程呈現(xiàn)(Telepresence)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)控制器與機(jī)器人看到的人之間的雙向交互。許多遠(yuǎn)程呈現(xiàn)機(jī)器人已經(jīng)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(圖4)。
圖4：遠(yuǎn)端呈現(xiàn)機(jī)器人種類多樣，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運(yùn)行ROS。與PR2類似，ROS被設(shè)計(jì)成一種研究平臺(tái)。現(xiàn)在已經(jīng)可以購(gòu)買到面向商用設(shè)計(jì)的其它平臺(tái)。這些平臺(tái)被設(shè)計(jì)用于通過Web瀏覽器進(jìn)行簡(jiǎn)單操作。它們可以實(shí)現(xiàn)雙向音視頻會(huì)議。
Gostai的Jazz Connect可以翻滾，而Anybot QB可以表演平衡動(dòng)作。雙輪機(jī)器人必須保持平衡，但是這類機(jī)器人的功耗不一定比相應(yīng)的多輪機(jī)器人的功耗高，因?yàn)楸３制胶獠⒉恍枰馁M(fèi)多少功率。
Gostai提供各種版本的Jazz機(jī)器人。Jazz Security機(jī)器人可以自主運(yùn)行，也可以遙控工作。它集成了一個(gè)激光
測(cè)距儀，可以實(shí)現(xiàn)更精確的傳感，這使得它能夠創(chuàng)建詳細(xì)的地圖。
Gostai公司還擁有自己的名為Urbi的機(jī)器人編程環(huán)境，盡管Urbi應(yīng)用可以獨(dú)立運(yùn)行，但該平臺(tái)還是與ROS集成在一起。Urbi環(huán)境的許多組成部分都是開源的。
Vgo雙輪遠(yuǎn)程呈現(xiàn)機(jī)器人與Anybot QB十分相似。這款機(jī)器人高4英尺，價(jià)格不到6000美元，具有內(nèi)置的Wi-Fi、一個(gè)攝像頭和一個(gè)顯示屏。VGo這類遠(yuǎn)程呈現(xiàn)機(jī)器人可以讓像Lyndon Baty這樣免疫系統(tǒng)十分脆弱的群體去實(shí)現(xiàn)他們無法做的事情。在Lyndon的案例中，Lyndon無法做的事情就是在德克薩斯州諾克斯市的高中上學(xué)。他具有由于腎移植引起的多囊腎病，必須避免與他人接觸。
對(duì)于越來越多的應(yīng)用而言，機(jī)器人正成為更加有用和現(xiàn)實(shí)的替代方案。盡管還有很多工作要做，但是像ROS這樣的框架將有助于改變現(xiàn)狀。
