01 机器人技术概述——现状与未来

01 机器人技术概述——现状与未来

个人机器人的普及性

Tom Carroll 撰稿 李军 译

几年前,我写过一篇题为《Humanity’s Perception of Robots》的文章。似乎人们并不总是赞同让机器人进入自己的个人生活。我想要更加深入地看看为什么会这样。是的,有一些人不赞成在工厂使用机器人来代替人类工作,但是很快,我们看到生产效率提高了,并且被“替代”的工人获得了更高的职位,其工作不再那么单调、危险和令人烦躁。即便是UAV(unmanned aerial vehicles)或者无人机,刚开始也被看作是空中间谍一样的、具有危险性的飞行器,但通过规范化和对操作员的培训,无人机开始在我的社会中变得更加容易令人接受了。电影似乎仍然把机器人描述为有点不可靠,但那毕竟是科幻。(对吗?)大多数《星球大战》的爱好者仍然认同是机器人(R2D2、C-3PO以及现在的BB8)使得这个系列的电影变得如此流行。然而,仍然有很多人并不赞同机器人出现在他们的生活中或家中。

向公众传播机器人的知识

大多数人关于机器人的错误概念,源自于缺乏有关机器人的知识。多年前,在新泽西州的Albuquerque的国际个人机器人大会(International Personal Robot Congress)上,我们在会议中心展示了很多机器人以进行“合影”(如图1所示)。一位老年妇女走到我面前并且谴责道,“机器的发展取代了人类的地位”。我不记得她具体的话了,但是,其基本的意思是“你们都应该为自己感到羞愧。只有上帝能够创造人,人类是不可以的”。

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图1 1984年的国际个人机器人大会上的机器人展示

我力图对这位妇女很礼貌,并且花了一两分钟的时间介绍构建机器人如何使得我们能够学习诸如物理、机械、计算机、电子学甚至化学等各种科学知识。“我们并不想取代上帝,我们只是想要看看机器人如何能够在人们的生活中帮助他们”,我解释道。我想在这里,我们第一次尝试集中地讨论和展示可能在我们的家中生活的机器人,并且我们已经让一些人认为我们是一群可恶的疯子。

还是回到1984年,那次大会的主题是“成为开始的一部分”。我们中有很多人,决定要向世界展示——个人机器人将会很容易像PC那样变得普及起来。为什么我们会这么想呢?我们看到了机器人能够很容易真正地做一些实实在在的事情。机器人不只是固定在桌子上,并且在屏幕上显示一些单词和图像。机器人能够来回移动,并且使用传感器来检测其周围的环境并据此来改变它们的移动。我们可以添加机械手,以便让机器人能够抓住物体并移动物体。有关机器人的另一个特征是,多个分支领域的科学(正如前面所提到的)都得到了应用,因此,有很多知识需要学习和构建。

个人机器人在PC的阴影下奋斗

为了举例说明,我们将在人类的计算机的发展和机器人的前景之间做一些来回切换。在微处理器发明之前,机器人还较为粗糙,使用继电器和离散晶体管作为传感器输入,并且由几个单独的MOSFET构成的H桥来负责电机控制。孩子们可以通过一个Erector Set来构建一个机器人,但它只能够通过线缆开关来遥控。那时候,很多人都在思考设计用于个人家中的机器人,但还没有人使机器人成为真正可供公众使用的产品。大学、家庭实验者或其他富有的企业家们,构建了当时最好的个人机器人。

特别值得注意的一款机器人,是由Ben Skora构建的名为AROK的机器人,它在20世纪70年代和80年代还是很令人惊讶的。这款机器人确实比我所见过的任何的消费类机器人都要流行,它潇洒地成为《Popular Mechanics》和很多其他出版物的封面形象。当我在一次机器人国际学术会议上发言的时候,有机会在Ben位于芝加哥郊区的家中拜访了他,并且花了几乎一整天的时间和他讨论AROK。图2展示了他的令人惊讶的发明,该机器人使用了至少75个继电器以及一个巨大的遥控面板。在图3中,Ben站在这个1.8米、170千克的发明的旁边。他的家也令人惊讶,这是一所高级的、超现代化的房子,带有很多自制的电子设备。最近Ben生病的时候,他的堂兄Tom Skora从Ben的家中接走了这款机器人并且保存了一段时间。AROK现在展示于伊利诺伊州的Palos Hills的Moraine Valley社区大学,那里是Ben的家乡,而那里的学生计划让AROK重新开始运行。

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图2 Tom Carroll拜访Ben Skora和他令人惊讶的机器人AROK

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图3 AROK的全貌

第一款家庭买得起的计算机

在深入讨论机器人的普及性之前,我想要看一下在20世纪70年代PC刚开始流行的历史,并且看看为什么PC变得如此流行。这些机器由微处理器来提供“计算能力”,而按照今天的标准来看,这些微处理器显得太粗糙了,但在那个时候,它们是非常具有创新性的。全世界的用户很高兴地接受了Intel的8080系列和Motorola的6800,这些微处理器以2MHz的速度运行,拥有从256字节到“巨大的”64KB的RAM。那些使用机械式计算器的会计人员和其他的业务人员,并没有贬低桌面计算机的引入。他们张开双臂拥抱桌面计算机。早期的电子表格和字处理软件程序,是提高办公效率的主要推动因素。像我这样喜欢写作以及喜欢机器人的人,可以撰写并修改文档,然后再将其打印出来,这和打字员不同。

随后IBM创始人Thomas Watson由于他在1943年的断言而知名,他说:“我认为全世界可能只需要5台计算机”。说这话的人所领导的公司,随后就生产了数以千计的大型计算机和数以百万计的PC。别忘了,这可是比任何人都拥有一台“个人”计算机早好几十年,并且那个时候,IBM的机器需要一个大房间才能装得下。

在20世纪80年代,第一台大量销售的计算机使用8088处理器,以4.7 MHz的速率运行,并且拥有128KB的RAM,价格高达4995美元到5800美元。IBM并没有打算生产桌面计算机,而采取行动的年轻人Bill Gates将会永载史册。

IBM的“PC”系列计算机包括XT和AT,以及后来运行MS-DOS和改进的Windows的系列产品。它面临着Apple的Mac系列的挑战,后者的起步价格为2459美元。PC开始从王谢堂前飞入到全世界的寻常百姓家和公司。如果Watson现在还活着,他将会看到世界上拥有数十亿的计算机也绝非是白日做梦。说计算机在“流行”开来,这也太过保守了。

第一家计算机商店并非是一家连锁店,而是看到了这些早期的机器的潜力的创新性个体的一场个人赌博。在尝试通过邮件订购销售视频游戏包的一番商业冒险之后,Dave和Tom Freeman(如图4所示)于1976年11月,在加利福尼亚的Orange County开了一家叫作Advanced Computer Products的计算机商店。我就曾经在ACP以及他们两月一次的ACP Swap Meet上花了不少时间,还曾关注过他们每年两次的机器人展览锦标赛(如图5所示)。第一家Byte Shops很快变成了连锁店。Apple计算机及其Macintosh、IBM PC,以及所有的这些产品进入到每一个办公室以及众多的家庭。

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图4 Dave Freeman(穿短裤者)及其兄弟Tom (穿白领子的衬衫者)在ACP的机器人锦标赛上

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图5 ACP机器人竞赛

机器人销售在挣扎,但是较好的收益已经初露端倪

尽管像Freemans这样的个人已经在他们非常成功的计算机产品线中加入了一些机器人,但是几十年来,个人机器人的销售还处在挣扎之中。众多不同的厂商生产的计算机,在全世界范围内销售了数十亿台之多。然而,机器人仍然在努力地进入到不同的市场领域。iRobot的成功的Roomba系列吸尘器扫地机器人,其销售已经超过了1000万台,但是很多的行业观察者认为这种类型的产品只是针对全世界范围内的小器件购买者的利基市场。工业机器人的功能在增加,而同时其价格在下降;同时Roomba这种类型的机器人的销售也在增加。然而,个人机器人还是在挣扎之中。我说个人机器人的时候,不是指Neatos和Roombas,而是能够和我们更多地交互的个人家用机器人。

机器人商店在哪里?

1994年,Will Smith主演电影《iRobot》的时候,我曾经被要求提供一些“特定时代”的机器人,用来装饰一家机器人商店的橱窗。坦率地讲,那时候,在美国还没有任何专门的机器人商店。图6所示的想象的商店橱窗,描绘了一家特定时代的机器人商店,但是,这实际上是一家针对8~18岁学生的活动中心,这里有创意写作的课程,并且销售机器人玩具、T恤衫以及类似的产品。它位于迈阿密州的Ann Arbor的Liberty街道。这里有500名志愿者和7个全职的店员。Bonnie Z在博客中写下了如下的文字:“居然有这样的一家商店,这难道不是一件奇事吗?如果你是一名机器人爱好者,这就是你要去的地方!这里很小,但是,这里有从机器人珍品、图书到你自己可真正组合起来以维护自己的机器人的小配件的所有东西。如果你就在这个地区,那真的应该来看看。”

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图6 迈阿密州的Ann Arbor的Liberty街的Robot Supply & Repair商店

你可能还记得,《iRobot》电影的故事背景是2035年的芝加哥,但是,整部电影都是在加拿大BC省的温哥华拍摄的,这里靠近我所居住的华盛顿州的Orcas Island。电影的制景人员开着一辆厢式送货车到我家,装上了我的8个HERO、Topo以及其他的机器人,以及一些“看上去像机器人”一样的东西,把它们放到了那个特定时代的机器人商店的橱窗中。好吧,即便是在克服了困难,从其他人那里和我这里借来了机器人之后,他们也并没有使用那个商店布景。

他们最终删除了商店的场景,我能否由此假设机器人在2035年仍然不会变得流行起来?至少我的一张照片随着James Cromwell出现在了电影中,据说我站在一个Odex机器人旁边。制景人员将Cromwell合成到了我和Odex的一张照片上。可以看得到这张照片,但它并不在镜头的焦点上,并且持续了大概一秒半的时间,并且随着Lanning博士的家被销毁而消失。

如今,一些大大小小的商店在销售各种各样的电子商品,如电动机、微控制器、机器人工具套装,甚至一些组装好的机器人。当然,Bed Bath and Beyond和其他的商店也销售Neatos和Roombas,甚至在这些商店能够见到Suitable Technologies公司的Beam遥现机器人,但是,这里还有一些其他的组装机器人,消费者可以到模块和电机商店参观、触摸并购买。最大的RobotShop位于加拿大的安大略省;而美国加利福尼亚州的Parallax in Rocklin、堪萨斯州的Winfield 的ServoCity,以及内华达州的Las Vegas的Pololu似乎是所有类型的机器人的最好的来源地。佛罗里达州的Bradenton的Robot Marketplace,最开始的时候是格斗机器人构建者的一个原料采购地,但现在已经扩展为包括RC材料、一些机器人工具甚至是监控机器人的市场。所有这些公司都在《SERVO》杂志上刊登过广告,并且都是质量有保证的机器人和机器人部件的生厂商和销售商。

怎么才能让机器人更加流行

如果回顾一下历史,有很多现在看来不可或缺的技术产品,在变成被消费者接受之前,都会有一个艰难的时刻。电话作为一种“时尚”,在刚刚开始的时候,只是少数人在使用。随着其昂贵的基础设施开始扩大的时候,电话的扩展性和普及型才得以实现。早期的电话产业需要安装电线杆、数千千米的电话线,并且需要中心电话局接线员来处理呼叫。今天的手机只需要信号基站之间的互联(好吧,并不是只有基站那么简单,而且基站很昂贵,甚至智能手机也很贵,但是今天,全世界的手机用户已经达到了数十亿部)。

早期的汽车也是一种“时尚”,并且令大多数人大吃一惊。爱迪生最初的直流(DC)电力系统需要有本地的电站,因为直流电流不能够长距离地传输。特斯拉的交流(AC)系统要更好一些,但是,当爱迪生向人们展示了交流电流如何杀死一头大象的时候,人们受到了惊吓。然而,交流还是很轻易地胜出了,因为它可以使用变压器将电压升高,从而进行长距离的传输,并且可以让电压下降回来以供本地消费者使用。但很多年以来,人们仍然不放心电力系统,并且持续地使用油灯来照明。

个人机器人经历了很长的一段上坡路,才被现代应用所接受。Joe Engelberger的Unimate(如图7所示)最初实现于1961年,逐渐才变得为美国的工厂所接受。在早期的时候,外国劳动力的成本还并不是一个问题,因此,工业在转向自动化和机器人方面进展是很缓慢的。

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图7 机器人的起点Unimate 1900

当高质量的产品从海外到达美国的时候,工业企业的高层才被来自美国以外的竞争者惊醒。

个人机器人:从一种时尚成为必备品

上面的示例说明了改变都是不情愿的,除非有显见的挑战开始打脸。工业机器人已经证明了其价值,现在已经在全世界的制造业工厂中安装配置了。正如我们前面所提到的,在计算机的惊人的工具性和有用性使其变得不可或缺之前,它也只是一种时尚。然而,注意,对于工业机器人,我使用了“安装”这个词。这些东西都通过螺栓固定在工厂的地板上。但大多数人对于可以自主地移动的机器人更加感兴趣。让我们来看一看一些个人或消费类机器人,例如,机器人吸尘器,它们似乎从“时尚”的状态转变为数以百万计的人们在家中使用的状态。

Neatos和Roombas的清洁能力还是无法和较大的交流电源真空吸尘器相比,但是自从Roombas 在2003年引入以来,iRobot的销售已经超过了1000万台。第1款Roombas(如图8所示)拥有圆形的边,而不像今天的模型那样有直边,但操作方式是类似的。当Neato的吸尘器首次在2010年使用LIDAR SLAM导航的时候,它通过更具科技倾向而对市场形成冲击,它能够看到、规划路线图并且按照直线清理地板,就像是一个人拿着手持的交流电源吸尘器在打扫卫生一样。

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图8 2002年最早的Roomba

iRobot开始改进他们的模型,并且在2015年首次推出的900系列(如图9所示),它具有“智能可视化导航(intelligent visual navigation,vSLAM)”功能,并作为Neato的竞争者推出。iRobot的900系列价格大约为895美元,而Neato的基本款的价格范围在300美元到400美元,其高端产品BotVac Connected(如图10所示)价格在699美元。这些机器人吸尘器都有Wi-Fi连接,并且在我看来,只是在几个很细小方面的功能有增加或减少。从价格标签上可以看到,它们都不是针对一般的家庭。然而,机器人吸尘器之所以流行,主要还是因为其价格不高。

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图9 iRobot Roomba 980

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图10 Neato Botvac Connected

机器人生厂商推动了普及性吗?

我不确定普及性(Popularity)这个词对于工业机器人生厂商来说是否合适。除了其他的因素,工业机器人的客户追求可靠性、功能性、可交换性、有效性和低成本。他们并不需要给机器人喷上明亮的黄色或橙色的漆面,一台灰色的模型静静地安置在他们的工厂地板的角落里,可靠地执行其编程的任务,这就足够了。然而,个体消费者并不需要自己的家中有以上的这些特性,而是很重视机器人的外貌。

拥有一台好看的机器人,这是一个令人骄傲的因素。Neato和iRobot之间肯定有功能上的竞争,但是,他们的机器人的外貌对于消费性产品来说也是很重要的。最终,任何“流行的”产品,人们看中的不是其外表,而是其功能、成本、价值和可靠性。

机器人设计——从头开始

当来自MIT的Rodney Brooks、Colin Angle和Helen Greiner在1990年组成iRobot公司并且开始琢磨制作一款工业吸尘器/扫地机器人的时候,他们此前并不具备如何制造一款消费级吸尘器的常识。开发的过程是试错的过程,最终成功地诞生了第一款Roomba。

他们雇佣了机械师、电气工程师和软件设计师来加入团队,但是,电池供电的吸尘器设计面临一个独特的障碍。机器人的电池只能够给较小的电机供电,因此,管子、刷子的设计和放置,是克服可用吸力和气流太小的关键因素。总之,他们成功地开发出了第一款吸尘器式的扫地机器人。Roomba的流行,是因为它是功能性很强的设备,或者说因为它是“早期采用者”的产品之一,也就是每个人或任何人都必须有一款的那种产品。

机器人设计——雇佣博学多才的人

从头开始设计肯定是有效的(iRobot的Roomba的设计就是一个证据),但是,这种方法可能要花较长的时间去走过很多设计周期,最终得到一款可销售的产品。另一种方法是花很多的钱,但是,可以更快地得到一款可以迅速上市的产品。一个好的例子就是我一直钦佩的一家公司——Google。

这是由两名坚定的大学毕业生(Larry Pag和Sergey Brin)建立的公司,他们当时正在斯坦福大学读博士。两人当时对搜索引擎的强大用途就有着深刻认识,而我们今天才意识到这一点。

Google(现在是Alphabet的一部分)有这样一种公司文化,这一点和任何其他的公司显著不同。我一直很欣赏他们公司的规则的头两条:(1)关注用户以及所有其他的追随者;(2)最好是做一件事情,要做就做好。

好吧,他们肯定是做好了Google搜索引擎,并且现在延伸到机器人领域,在过去的几年里,收购了几家机器人公司。在2013年底,Page和Brin收购了Boston Dynamics。

他们还富有远见地雇佣了一些知识渊博的人,并且收购了这些人的整个公司。Boston Dynamics的Atlas是2014年DARPA机器人挑战赛的参赛机器人(实际上,一共有6个参赛机器人)。

我们都还记得这些参赛者步履蹒跚的样子,好像要被它们自己的影子绊倒了一样。2015年2月份,Boston Dynamics公司发布了经过巨大改进的Atlas 2.0,这是如图11所示的一款高1.8米、重82千克的人形机器人,与其最初版本的1.82米高、150千克相比,新款更接近人类的大小。这是一款令人惊讶的机器人,但是,最新的“机器人八卦消息”说,Alphabet公司计划将Boston Dynamics公司卖掉1。有时候,承认你所收购的一个实体并不是很符合公司未来的目标,这也是一种很好的管理策略。

12017年6月9日,软银宣布从Alphabet手中收购了Boston Dynamics公司。——译者注

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图11 Boston Dynamics的Atlas 2.0

Boston Dynamics是一家令人惊讶的公司,但是,它并不能够很好地和Alphabet的公司群体相吻合。

是什么真正决定了机器人的普及度?

我曾经在以前的文章中介绍过,第一款工业机器人(Unimation 1900)花了很长的时间才证明其在工厂是有用的。这个过程之所以比较缓慢,是因为它太贵了吗?是因为它使用了诸如旋转磁鼓这样比较原始的计算机技术吗?是因为它很难维护并且会将油液漏到地板上吗?

它几乎和军用坦克一样重,并且看上去也像是坦克一样。是的,所有这些问题都是对的。此外,Unimate是第一款真正开启了一个新的产业的机器人。有时候,一家公司必须拥有第一个去解决所需问题的产品,例如Micro-Soft(这是微软公司最初的名字)针对MITS Altair的BASIC解释器。这家位于新泽西州Albuquerque的公司在早期的时候也经历了艰苦奋斗,并且在1976年底的时候收入达到了16 005美元。图12中的照片拍摄于1978年,其中包括了几乎其所有的员工(只有两个人除外)。

如今,微软有100 000名员工,年收入达到1 000亿美元,市值4 000亿美元,他们变得“相当”流行了。他们还没有真正在机器人领域投资,尽管他们确实曾经有一个机器人开发组。

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图12 微软公司在1978年的13名员工中的11人

我想再次回来看看Google公司在机器人领域里做了些什么。在过去的10年里,Google都排在最佳雇主公司的前7名,因此,我可以说这是一家很“流行”的公司。除了免费服务、显著的收益和很高的薪酬,这家公司的文化还不断地孵化出优秀的想法和产品。

他们收购了Boston Dynamics公司,只是体现这种文化的一个例子,即整个公司(从两位创始人到团队的其他成员)对于优秀都有一个长期的渴望。无人驾驶汽车就是一个很好的例子,他们的无人驾驶汽车Lexus和定制的汽车,已经在加利福尼亚的山景城地区行驶了很多的里程,尽管确实有一次和公共汽车撞到了一起。这是第一次无人驾驶汽车交通事故,而且无人驾驶汽车只负有一部分责任。

正如你所看到的,流行性是很难定义如何才能实现的。我曾经见过了各种各样的技术产品和机器人产品,只是为了看看为什么有些东西成为了“明星产品”,而另一些东西本身已经很好了却并没有变得流行起来。Dean Kamen的Segway就是一个很好的例子,这款产品曾经被认为“比互联网还要重要”。

这个两轮的个人交通工具似乎对市场是一个冲击,并且我很享受驾驶它的时间,但是,它似乎比一般的滑板车更加危险。我猜想,当这家公司的新的老板在2010年因为驾驶一辆Segway而在其英国庄园的陡壁上意外跌落致死之后,更加证实了这一点。

别忘了,非常流行的两轮滑板车在2015年圣诞节的时候曾变得对每个人来说都很有吸引力。

结语

对于变得很流行的一款机器人来说,一家公司必须遵守几条规则:从思路到设计,到倾听潜在的购买者,到测试原型,再到出人意料的市场策略。整个过程中肯定有运气的成分,但是它仍然要落实到一个非凡的想法。

最新的Star War机器人BB8(如图13所示)就是一个优秀的例子,它采取了小的Sphero遥控机器人的思路,并且将其增大到足够在电影中使用的程度。

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图13 Star Wars VII中的BB8

“画龙点睛”的做法是,给BB8机器人添加了一个“脑袋”,当机器人在各个方向上移动的时候,这个头部都能在BB8的顶部保持平衡。

正如本文开始所提到的,BB8的流行性是瞬间的,几乎每个人都必须买一台或者自己制造一台。

我期待着下一款流行的机器人来自本书的读者。根据2015年3月份的《财富》杂志的介绍,我们已经开始了第四次工业革命,这涉及AI、大数据和机器人技术。然而,我们还没有生产很多如图14所示的场景中的具有超级AI的机器人。

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图14 在这里到底是谁在为谁工作

个人机器人的过去和现在

Tom Carroll 撰稿 李军 译

我最近观看了Simone Giertz在Frank Tobe的Web站点上的几个视频 ——《The Robot Report》。这个报告宣称Simone Giert是“无用机器人的女王”,因为Giert制作了一些别人无法做到的、很不错的机器人。这位25岁的瑞典姑娘居住在斯德哥尔摩的船屋上,并且由于她奇怪的机器人发明而被成百上千的人所熟知,她所发明的机器人用来干各种琐碎的家务活儿。

想象一下生活在现代环境中的Rube Goldberg2吧——他发明了各种奇怪的机器人,来试图刷牙(如图1所示)、涂口红、提供麦片和咀嚼蔬菜。Giertz非常具有喜剧天分,她使用滑稽而奇异的装置并对机器人的滥用进行搞笑。她的视频使我意识到——大多数的个人机器人真的无法做太多有用的事情。

2Rube Goldberg是美国著名的漫画家、雕刻家、工程师,因创作Rube Goldberg机械系列漫画而知名,其中总是描绘用一连串复杂的连动机构去完成一件简单的事情,因而成为了简单事情复杂化的代名词。——译者注

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图1 Simone Giertz制作的可怕的机器人

我已经接触机器人很多年了,这既包括我为Rockwell工作期间,也包括我作为一个爱好者的经历。在近期的一篇文章中,我问道,真正的好的机器人是什么样的。我进一步描述了在20世纪60年代早期,机器人是如何第一次在工业环境中实现的。很快,机器人在健康和医疗应用、军事和安全任务中变得可用起来,甚至作为外骨骼和其他的身体部位而成为我们身体的一部分。然而直到20世纪80年代,机器人才变得可供消费者使用。

这些机器人已经接近于真正的个人机器人了吗?我将要介绍一些“早期的”较为流行的机器人,并且看看它们在改善其主人的生活质量方面是多么的有用。访问www.oldrobots.com可以看到关于数以百计的“较早的”个人机器人的非常有趣的信息。

Heathkit公司设计了几款流行的教育机器人工具

在早期的南加利福尼亚机器人协会的会议上(这个协会的名称后来改为The Robotics Society of Southern California),有几个早期的机器人实验者和机器人制造爱好者展示了他们的产品。我们中的大多数都熟悉Heathkit公司的电子工具箱,当这个工具箱在1982年和Hero 1机器人工具箱一起出现的时候,立即在我们协会的成员和全世界的机器人爱好者之中变得成功起来。较晚一些的一个Hero 3版本如图2所示。

Hero是Heathkit Educational Robot的缩写,并且该机器人已经构建、改造和改装了上千台。它可以作为一个工具箱使用,也可以作为一个组装好的机器人使用,并且,它是第一款可供爱好者编程的机器人。这款机器人带有一个可移动的底座,有一个可以转动的头部,并且可以通过一个超声波传感器来感知距离以及周围的灯光和声音。它有一个小的键盘,这对于编程来说可能有点难看,因此,很多用户通过连接一个全尺寸的键盘,对其6808处理器进行编程。

作为配件,你也可以购买一个关节式的胳膊,它带有一个简单的手爪(图2)。尽管这个胳膊的价格稍贵一点,达到了1500美金,但它是一款首屈一指的、完整的机器人的一部分。

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图2 Heath Hero较晚一些的版本

4年之后,Heathkit发布了另外一款高级的Hero 2000(如图3所示),其价格将近3000美元,这在当时来说是很大的一笔钱,现在来说也不少。其8088处理器有一个MS-DOS操作系统和一个内部的软盘驱动器。关节式的胳膊改装得更像是工业机器人的胳膊,并且可以举起0.45千克的重物。如果人们不会觉得其价格太高的话,这两款机器人以及一个Hero Junior模型都是很不错的教育工具。

在最初的Heathkit Hero系列机器人走向没落之后,一家加拿大公司White Box Robotics采用了Heathkit Hero的名字并且在2002年开始开发一款新的Hero机器人(如图4所示)。它并不具备最初的Hero 2000的那些功能,尽管其处理器是一个较小的ITX,并且拥有1GB的RAM和40GB的硬盘,如图5所示。

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图3 Heathkit Hero 2000

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图4 White Box Robotics公司的HE-Robot

人们最初希望White Box能够以5000美元的价格供货,并且随后能够将价格降低到2000美元,但是其初始的价格达到了8000美元。随后,我在2012年看到了全新的914 PC-BOT(这是该机器人的另一个名称)以995美元的价格出售,就在那一年,White Box公司破产了。现在来看,这个价格是很划算的,尽管你只能拥有一台过时的PC。

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图5 White Box Robotics的Heathkit机器人

RB5X机器人RB

在我看来,在1982年上市的最好的机器人之一就是RB5X。图6所示的模型是一种非常合理的圆柱形的设计。Joe BosWorth在科罗拉多州的Golden创立了RB机器人公司,并不是源于他对机器人长久以来的兴趣,而是为了利用其计算机和其他的技术知识来开发“家庭中可用的下一代物品”。我曾经在20世纪80年代的几次不同的机器人聚会上和Bosworth交谈过,他的整体商业战略在当时所有的个人机器人产业从业者之中是最好的。

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图6 RB5X和充电基座

质量4.5千克、直径58厘米的基本款的RB5X,带有透明穹顶,其价格为1200美元;它带有可以升级的内存,Polaroid的电子超声波测距仪,穹顶中有装饰性的灯光;多花300美元或者更多的钱,可以有更多的选项,价格最高可达到2300美元。它使用可以充电的C号和D号电池(随后有一个10Ah的可充电电池包可选),并且内置的INS 8073处理器是由TinyBASIC提供的。它还有一个RS-232接口,可以用于外部编程。

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图7 可伸展胳膊的RB5X

环绕其底部的白色方块是用于检测障碍物和墙壁的接触式开关。高级型号如图7所示,还包括一个可以伸展的关节式胳膊,这个胳膊可以缩回到机器人的身体之中,它很像是星球大战中的R2D2,而后者对于Bosworth设计自己的机器人有很大的影响。Bosworth有很多内部的配件还处于开发之中,他曾经和感兴趣的机器人制造者讨论过这些配件。在1982年到1985年这段时间的机器人中,RB5X机器人是我所喜欢的一款。

Hubotics的Hubot机器人

Hubot机器人也诞生于1983年,并且其基本款的价格在3500美元。那时候,很多的机器人爱好者都觉得Hubot更像是一款移动的电视机,而不是一款真正有用的机器人。花这么多的钱,可以购买一台漂亮的电视机,或者是可以购买一辆小型汽车。Hubot看上去有点像是一个移动的垃圾桶,在其顶部装有一台电视机,如图8所示。这台电视机同时还充当计算机显示器,并且其计算机系统包含了3个Zilog Z80处理器,128KB的内存,一个滑出式的、可拆卸的键盘,以及一个磁盘驱动器。当运行语音合成系统的时候,这个显示器还会显示一张会动的脸。

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图8 Hubot在厨房为人们提供娱乐服务

该机器人有一款内建的Atari 2600游戏机,可以用显示器来玩视频游戏,进行AM/FM收音。如果所有其他的系统都无法为你提供娱乐的时候,你还可以用它收看电视节目。

它还有故障排除包、防盗和防火警报、吸尘器配件、带有爪子的胳膊,以及一个方便的饮料托盘等可选项。这个托盘可以像切菜板一样折叠起来。你可能猜到了,在20世纪80年代的时候,只有极少数人的家中能够找到Hubot机器人。

Androbot的Topo

Topo最早是1983年出现的,并且在刚开始的时候相当流行。Topo的价格在795美元到1595美元之间(根据你选择哪个版本以及是否增加语音合成系统),被认为是“适合每一个人的机器人”,如图9所示。早期的视频游戏Pong的发明者Nolan Bushnell,是Androbots幕后的驱动者。Topo有一种奇怪的设计,使用了两个斜推的轮子,以允许机器人像轮椅一样来回地滚动而不会跌倒。轮子从前到后有两个球形的承重滚轮,以保持最小程度的晃动。这款机器人的身体是由真空成型的ABS塑料块构造而成的,通过两个塑料铆钉铆合到一起。这款机器人最值得注意的特征是,它有92.71厘米那么高,这是那个时代最高的个人机器人了。拆开和组装那两块塑料铆钉略有些难度。

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图9 Androbot Topo机器人

它有两块塑料壳可以解开并且折叠起来,以充当“胳膊”,但是后来,我卸掉了我的Topo上的胳膊后面的内部塑料块以便更容易看到其内部部件。

Topo系列实际上是远程遥控玩具,通过一个RF连接到一台Apple II计算机和一个遥控杆来控制。Topo II可以是通过BASIC或LOGO语言来进行编程,但是它似乎是通过碰撞而不是清晰路线的遍历来定位墙壁和障碍物的。

Androbot曾经开始构建一款带有“安装在板子上的脑袋”的机器人,后来称之为BOB(Brains on Board),但是,在遇到设计难题之后,降级为Topo,因为BOB可能导致超过该项目2495美元的成本限制。刚开始的时候,Topo的销售很糟糕,Androbot在1985年的时候找到我(因为我当时担任南加利福尼亚机器人协会的主席),并询问我们的组织是否想要以每台125美元的价格批量购买Topo。

17个巨大的箱子送到了我的家中,每一个箱子中装有一台Topo和一个独轮手推车,手推车中填满了塑料泡沫。图10展示了它们放在我的起居室中的样子,摆放成了机器人兄弟们在一起开会的样子。几个月之后,我又购买了17台Topo,这是该公司仅剩下的那些机器人。

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图10 SCRS Topos在开会

Tomy Omnibot 2000

1984年到1988年期间,Omnibot 2000在日本批量制造,它延续了一系列其他的Tomy机器人,该系列从一个机器人猫头鹰(HootBot)和其他独特的语言反馈机器人玩具Hearoid,一直到这一产品线的高端产品Omnibot 2000(如图11所示)。Omnibot 2000的价格大约在400美元,其高度达到了63.5厘米,这已经超过了一款用于实验或者充当玩具的正规个人机器人的高度。在随后的多年里,该机器人被很多的机器人爱好者改装,而不是作为另一款玩具机器人使用。

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图11 Tomy Omnibot 2000

那个时候,还没有任何一款比较流行的微处理器能够在一个内建的卡式磁带上记录其移动程序。编程有一点难,并且必须通过遥控器来完成,这样还能够让用户通过机器人的扬声器来播放他自己的声音。

我看到它比其他的机器人更多地在电影中用做动作道具。它拥有一个手动定位的胳膊,另一个胳膊是马达驱动的,并且可以通过编程来使其爪子选取并释放物体。这个爪子可以旋转90度以便从它所拿到的容器中倾倒出液体。

另一个很好的功能是它的电机驱动的托盘,它带有一系列可旋转的洞,可以把杯子放入到这些洞中,以便机械爪能够拿到它们。这个机器人可以四处徘徊,抓取单个的杯子并且为4位客人提供任何想要的饮品。

我曾经租借了一台Omnibot给一部电影的道具组使用。最终,我收到了2 000美元的损坏赔偿金,因为这款机器人在一个场景中被烧毁了。尽管它基本的胳膊是可以移动的,在我看来,它实际上仍然是一款玩具。

Arctec Gemini

进入1985年,个人机器人开始变得越来越昂贵,并且Arctec Systems的Gemini的组装模型售价为6995美元,而工具箱版售价3595美元,这并不让人感到意外。它们还提供了一个不带外壳的实验性的工具箱版,其售价为2350美元,而组装款的售价为4495美元。

Gemini站立起来大概有1.22米高,直径为50.8厘米,质量达到31.75千克,如图12所示,以这个价格来说,它绝不只是一款玩具。同样,它被宣传为“自主式机器人”,你可以购买这款机器人,而以同样的价格可以买一辆相当不错的汽车。

它拥有3个6502处理器,带有64KB的ROM和56KB的RAM,通过9个Polaroid静电式超声波传感器进行导航。在图13中,可以看到Gemini的内部结构。其中一个处理器用于AI,一个处理器用于语音I/O,另一个处理器用于移动控制。它有一个8行每行40个字符的LCD显示器,还有可选的传感器可供使用。

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图12 Arctec Systems的Gemini

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图13 Gemini的内部结构曝光

Synpet Newton

在1989年之前,爱达荷州的一家小公司SynPet个人电子技术公司,以入门款6985美元的价格提供了一款Newton个人机器人(图14)。

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图14 SynPet的Newton机器人

这款机器人有86厘米高,直径为45.7厘米,看上去很不错,在我们南加利福尼亚机器人协会的一次会议中,展示了这款机器人。它带有一台内建的IBM XT计算机,该计算机拥有768KB的RAM,一个20MB的硬盘,还有一个软盘驱动器,这比旧款的机器人要更为强大。再多花595美元,你就可以得到一部无绳电话,带有1200波 的调制解调器。

通过语音合成和识别系统,你可以用语音命令来控制Newton。它也可以自动停驻和充电。我曾经见到过Newton的很多部件和外壳,但还没有见到过真正的机器人。

这些个人机器人是真正有用的机器人吗?

这里介绍的机器人都是开发者的“掌上明珠”,他们都确信自己的机器人能够超越所有其他的机器人,从而成为第一款成功的个人家用机器人。我承认,我个人曾经在几年的时间内尝试了所有这些机器人,并且通过它们感受到了很多的乐趣。从鼓励我尝试机器人的那些人的眼中,我看到了他们希望我得出和他们相同的结论,即他们的机器人将会是最好的一个。

有些机器人,例如Heath Hero系列,真正成功地变为了非常好的教育工具,但是,这些机器人的大多数并不会在收藏者之外的人群中变得很流行。诸如Hubot这样的移动的电视机、拼接在一起的塑料面板所构成的晃动的Topo,或者甚至是具备计算能力的高级的Gemini,都并没有给消费者带来他们需要个人机器人所做的那些事情。

所有的机器人实验者,都默默地希望某些人在某一天能够真正地设计和生产一台个人机器人,以便能够满足收藏者的期望,让一个机器人伴侣能够真正地做一些事情,而不只是充当轮子上的计算机。如果我们个人能够实现一种设计,使其成为我们自己的商店中的“杀手级应用”,那就更好了。是的,我们中的一些人已经添加了一个或两个胳膊来抓取和操作物体,但是,尝试具备视觉系统的能力并且配备多轴的胳膊和手爪,以及开发所需的软件,这些都是很困难的。

当今的个人机器人

让我们看看如今的个人机器人,并且看看它们是否比刚才介绍过的机器人要更好一些。现在,我们有了强大的处理器,它们可以以2GHz甚至更高的频率运行,有了很多GB的RAM可用,还有达到TB容量的硬盘。Microsoft Robotics Developer Studio、ROS、Python Robotics以及很多其他的软件,可供较小的机器人系统使用。

仅仅在数年之前,动作感测陀螺仪和加速度计还需要花费数千美元,而如今只需要数美元就能实现;即便是高级的LIDAR传感器,价格也在100美元以内,并且语音识别系统也很便宜,家庭机器人试验者就能买得起。

那么,如今的机器人已经具备了构建者通过商店和实验室随便就能购买到的所有这些高级技术了吗?让我们来看看吧。

Willow Garage PR2

Willow Garage用了数年的时间和大量的成本,开发了其著名的PR2研究平台机器人,如图15所示,并且每台机器人的售价在40万美元左右,尽管他们确实捐助了11台机器人给全世界主要的实验室。我曾经获得了参观访问WG数天的特权,并且看到了PR2在几个场景中运作的情况。说这款机器人令人惊讶,这是颇为保守的说法。

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图15 Willow Garage的PR2机器人

其机械构造与你期望在太空站上看到的情况差不多。PR2令人惊讶,但是,在展示叠毛巾的动作中,它并不会比患有严重的关节炎的盲人表现得更好。具备了所有这些计算能力、令人惊讶的胳膊以及传感器,它折叠一条毛巾还是要花15分钟的时间。

别误会了我的意思,PR2是实验者的平台上可用的最为正规的机器人之一。

Softbank/AIdebaran的Pepper

在发布了很多有趣的新闻之后,日本Softbank发布了1000台Pepper机器人(如图16所示),并且在2015年6月开始销售。在以19.8万日元(约1600美元)的价格向公众销售之后,不到1分钟的时间内就卖光了,这一点也不会让行业内的任何人感到奇怪。Pepper是由来自法国的Aldebaran公司为Softbank设计和开发的,而Aldebaran公司因为NAO机器人而知名。

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图16 SoftBank的Pepper机器人

Pepper机器人有1.22米高,质量为27.7千克,设计为和人们交互并生活。Pepper有一个人形的面孔,并且在其胸前配备了一个LCD面板,该面板设计为通过触摸和语音与人类交互和沟通。

Pepper能够识别人类的面部表情并做出响应,还能够识别人类的语音。其价格低于其实际的开发成本,并且Softbank还为该机器人的购买者提供一个月的数据和保险计划。锂电池一次充电后可以使用16小时。该机器人可以通过和人类生活而进行学习,并且经过一段时间之后培养出自己的个性。其胳膊的移动角度和灵活性,给我留下了深刻的印象。

高级个人机器人

针对机器人在工厂之外所能够帮助人类的地方,开发者研究了更多的领域。Domino研究比萨配送机器人(如图17所示),该机器人正在新西兰进行试验。我担心这样的一个小机器人可能会被汽车压扁,或者被偷走,但这值得一试。

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图17 Domino的送比萨的机器人

对于Amazon的包裹配送无人机来说,也存在同样的情况。有些人订购了价值10美元的货物,只是为了对价值1万美元的无人机张网以待并设法偷走它。Amazon的自动驾驶汽车是朝着正确方向迈出的不错的一步,其他的公司现在也正开发自动驾驶汽车。

针对老年人的个人助理机器人

我非常感兴趣的另一个领域是,能够帮助老年人保持日常生活的独立性的个人助理机器人。人们已经设计出了诸如这样的机器人:提醒人们吃药或作出类似的提醒的机器人,像宠物一样跟在人们身后的机器人,还包括能够做这些事情的任何机器人设备或桌面设备。

老年人需要体力上的帮助,例如,搬运物体,或者使用一个“助理”按照语音指令来从冰箱里取出食物,将其放到一个盘子或碟子里,并且用微波炉按照程序加热食物,或者完成类似的任务。

一种辅助性且更加困难的任务是提供物理上的移动和控制。AI方面的改进和传感器的高级化,使得在照顾那些需要帮助的人的时候,能够实现安全和有效的机器人移动控制。帮助摔倒的人站起来,把椅子或床搬进来或搬出去,甚至是打开或关上厕所门,这些动作都可能会对人类造成伤害,甚至引起后续的法律诉讼。

20世纪90年代,我就开始研究了这样的一个个人辅助机器人的设计,并且查阅了很多适用的FDA规定。这是一个实现难度令人吃惊的项目,但是,其最终的设计将会是当今数以百万计的老年人所必需的。

机器人专家Tandy Trower和我讨论了他针对老年人助理的设计。Trower曾被Bill Gates授权组建Microsoft的机器人团队,并且他自己的公司Hoaloha Robotics在机器人设计方面也取得了很好的进展。当世界终于看到了对这样的一款机器人的迫切需要的时候,FDA和其他监管机构将会放松要求,以允许在个人家中工作的物理关节机器人方面取得进展。

结语

我研究并写作本文,是为了回应多年来我所收到的关于机器人如何能够不只是停留在宣传炒作层面的问题和评论。当人们针对DARPA机器人挑战赛的失败评头论足的时候,却并没有在竞赛之后再向前展望几个月,并由此意识到Atlas 2.0已经走了有多远。他们看到了20世纪80年代的机器人,并且发表评论说今天的机器人也并不会比二三十年前的那些机器人有用多少,但却无视机器人技术上的提高。

是的,PR2超出了每个人的预期,并且Pepper在数年之后肯定会涨价,但是,我们在取得进步。我很有信心,很快我们所拥有的机器人将会与多年来电影中所展示的那些机器人更接近。

用于老年人的机器人,只是我们需要解决、设计和生产的众多新的机器人应用的一个方面。

在云端呼唤机器人

Tom Carroll撰文 雍琦 译

我在两年前曾撰文介绍过怎么通过语音识别控制机器人,但这个领域很快在2014年发生了戏剧性的变化。美国Amazon公司的产品Echo,是这种变化的重要推动力量。大多数(如果不是全部的话)机器人业内人士其实一直以来就渴望用语音控制机器人,但成效一直不尽如人意,不是产品太粗糙,就是成本太高昂。业内也曾出现过价格合适的语音识别系统,不过只是昙花一现而已,而且其中只有少数达到了控制复杂系统(比如机器人)的要求。最成功的语音识别应用是专为将语音转换为文本而设计的。

市场上也有可供机器人使用的语音识别系统,但它们的功能离真正完全控制机器人的要求还有差距。而像Siri和Cortana这样的云端个人语音助理,在一定程度上让人看到了希望的曙光。不过我个人并不喜欢“云端”这个词。所谓“云端”,就是通过远程操作的方式在巨型服务器场里存储和检索信息。其实自从20世纪60年代ARPANET诞生,人们就已经开始这么做了。

早期发明:用单词控制步进开关

让我稍稍把话题从“云端”岔开一点,先来说一说我自己早年的一个机器人发明项目。我这个发明也是想通过语音控制机器人,不过有点傻就是了。可惜我没有为这个项目留下照片。我在早年的专栏里谈及过这个发明,它的关键在于使用常见于电话公司交换机房的“步进开关”(或者称为“分断继电器”)。图1是一个20位8杆步进开关。如果我没记错的话,我当年使用的是10位3杆步进开关,另外用一个继电器线圈电路将凸齿重置为0或1。此外,我还用了一些二次继电器组合成逻辑电路。为了让它们能够完美地控制马达,我调试了好几个月。

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图1 20位8杆步进开关

我用一个简单的手机和一个小型信号放大器来控制开关电路。为了降低电阻,增强磁场,继电器线圈我也重新绕过。我的声音转换为电脉冲后,经由放大器放大信号,驱动步进开关/继电器转入下一个位置。我在早年的那篇专栏文章里说道:“把‘停止’、‘现在前进’、‘现在右转’、‘现在转左’等命令,替换为‘前进’、‘现在停止’、‘左转现在’、‘右转现在’,机器人仍能理解。”对机器人而言,人说“Bla”或“停止”,跟狗叫“bark”一样,都可以表达停止的意思,因此,诸如“Bla Bla,Bla Bla Bla”或者“Bark Bark Bark”这样的任何连续的声音,都可以用来驱动步进开关。

电脉冲进入主线圈后,会给电容器充电,触发余下线圈中的一半。充电停止后,弹簧栓会将凸齿松开,让它回到原位。很搞怪的一个系统吧!不过它确实能起作用呢,起码能让我的机器人在房间里走几步。对我来说,搭建逻辑电路比改装步进开关难得多。当时我如果沿着这个发明的思路走下去,说不定会开发出BASIC Stamp、Arduion或者Raspberry Pi这样的系统呢!

Tomy Hearoid

图2是20世纪80年代中期广受欢迎的玩具机器人Tomy Hearoid。这个小家伙是由Tomy科技公司研制的,使用手持遥控器就能让它走路,而控制它走路的“程序”,写在它胸前装着的卡带里。Tomy Hearoid也能接受语音命令,不过语音遥控器要比手持摇控器大得多。

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图2 能够接受语音控制的Tomy Hearoid机器人

语音“识别”处理器就装在语音遥控器里。通过语音就可以命令它前进、停止、右转、左转,或者让它显示存储的语音消息。Tomy Hearoid还有一个内置闹钟,可以让它在特定时间做出特定动作。我也有过一个Tomy Hearoid,它有个半夜鸡叫的习惯。真是个坏家伙啊!

如果你想详细了解Tomy Hearoid以及其他老式个人助理型机器人的话,不妨去www.theoldrobots.com看看。

当前的机器人语音控制

我在2年前的一篇文章里,介绍了过去10年间出现的多种语音识别系统。那篇文章写完后,我亲自测评了其中一款(图3)。它的名字叫“Images SI SR-06/07语音识别套装”,使用HMC HM2007芯片,搭载SRI-03接口板的SR-07语音识别系统,可以让我控制10种不同的机器人功能,每条语音命令的时间是1.92秒。

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图3 搭载SRI-03接口板的SR-07语音识别套装

该系统用悬挂式麦克风作为输入设备,称为“特定语音”系统,但也可以在某种程度上作为“非特定语音”系统使用。“非特定”的意思就是,该系统对音色音调不敏感,只要命令发音正确,它都能响应。

我在测试中使用的是前轮双驱动ServoCity机器人底盘,这种底盘有点像汽车里用的Ackermann系统,但不含大多数小型机器人底盘里常见的差速双驱动引擎。我发现有个操纵诀窍:用单一语音命令让机器人转弯,一二秒后再把轮子回正,机器人就驶入了新方向。

有的人将这套语音识别系统用在带有差速器的底盘上,同样取得了不俗的效果。建议语音识别爱好者都来试试这套系统吧,不论作为配套设备还是作为内置模块,它都是非常棒的。

Apple的Siri

过去几年里,我陆续介绍过各式各样的机器人应用。如今,我们的智能手机、汽车和电脑里均搭载有各具特色的语音识别应用,能帮助我们完成多种任务。接下来我将介绍3种在机器人应用方面颇具前景的语音助手,它们目前均是流行的电脑/手机应用。

第1种是Apple开发的智能语音助理Siri(Speech Interpretation and Recognition Interface,语音解释与识别接口),用于搭载了iOS系统的平板电脑和智能手机。

这个应用最初是由Siri公司研发的,Apple公司在2010年4月将其纳入囊中。2011年10月,Siri作为一项新功能被引入iPhone 4S,它的图标如图4所示。作为一种自然语言接口,Siri可以回答问题,也可以执行任务,只要将用户的请求发送至特定的互联网服务商那里就可以了。用户使用Siri越多,Siri就会越适应用户的语音特征和检索习惯,并给出更符合用户个性要求的反馈。

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图 4 Apple的Siri语音助手图标

大多数人在听到Siri的回复时,并不知道其背后的工作原理是怎样的。Siri的声音不是人们通常以为的人工合成语音,而是每次根据需要将事先录制好的人声拼接起来的。在2005的时候,演员Susan Bennett接受了为Siri配音的使命。2005年7月份,她每天工作4小时,录制了数千条语音。她那时候并不知道这些录音会用来做什么。2011的时候,她第一次在iPhone里听到自己的声音,在接受采访时她说:“我发现那是我自己的声音时……说实话,感觉有点瘆人。我适应了一段时间才学会怎么用Siri,现在我们已经是好朋友了。”

Siri现在广受欢迎,用户体验非常棒,能帮助人们完成很多有意思的事。而它的那些好玩的预置回答,常常能把用户逗得乐不可支。

Microsoft的Cortana

Cortana内置于Win 10操作系统,可用于“检索文件、管理日程、追踪包裹、查找信息、聊天以及讲笑话。用得越多,就越具备个性化体验”,Microsoft的广告和用户指南如是说,“Contana是你全新的智慧型个人助手。”

Cortana是用在电脑和手机上的语音助手,脱胎于Microsoft在2009年购入的语音处理技术TellMe,于2014年4月发布。它的名字原属于Microsoft开发的Halo游戏里的一个人工智能角色(图5)。

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图5 Microsoft的语音助手Cortana

Contana的声音跟Siri不一样。它的声音里有人工合成的成分,不过Halo游戏玩家应该对此很熟悉。Contana的声音主要由Jen Taylor配录,也就是游戏里同名角色的配音。Microsoft并不认为Contana是Siri的翻版,而是把它当成人工智能产品,因为它注定将成为Windows手机内置的语音助手。

如同Apple对Siri做的一样,Microsoft也为Contana设置了“个性”。Contana的个性有点像电影《Her》里Scarlett Johnasson饰演的人工智能角色,自信且具有关爱之心。不过有些人认为她的声音有点刻薄和专横。Contana的说话风格,用Microsoft的话来说,属于非正式对话的“闲聊天”。

Contana的主要功能是拨电话、提醒事项和回答问题。它能记住与用户交流过程中出现过的姓名、地址、提问等信息,慢慢了解和熟悉用户,为用户提供越来越精准和个性化的服务。

刚开始使用Cortana时,它会以闲聊的方式与用户互动,然后再慢慢进入正题。我现在已经对自己电脑上的Contana很习惯了。

Google Now

Google Now是Google开发的个人语音助理,可在Android、Apple iOS平台和电脑上的Chrome浏览器中使用。Google原先的语音搜索项目名为“Majel”,这个名字正是来自为《星际迷航》中联邦计算机的配音演员Majel Barrett Roddenberry。Amit Singhal(图6)是Google高级副总裁,也是《星际迷航》的粉丝,他模仿电影里的通信徽章,设计了一枚通信胸徽。

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图6 佩戴着通信胸徽的Google副总裁Amit Singhal

Singhal设计的通信胸徽一直处于测试状态。它通过蓝牙连接搜索引擎,与用户进行语音交流。(听起来像是有个巨型机器人在控制我!)

Google Now在2012年中期首次发布,被视为对Siri和Cortana的回应。据官网介绍,“Google Now用自然语言与用户交流,通过连接网络服务为用户回答问题、提出建议、执行操作。除了能回答用户的提问,它还能(根据搜索习惯)预测用户的需求,主动提供信息”。

基于Google创始人的远见,我想Google Now未来肯定会有惊艳的变化,比如移驻到通信胸徽内,或者演化成无人驾驶汽车或高级机器人应用里的人工智能语音助手。

Cynthia Breazeal的Jibo

如果不讲Cynthia Breazeal和她的机器人发明(图7),这篇文章内容就不全(再说一次,仅2016年我就写过两篇关于她的文章了)。机器人爱好者对Jibo特别感兴趣,它的脑袋和底盘都可以旋转,能对语音命令作出反应。图8显示了Jibo复杂的内部结构,凭借其独特的高速双轴系统,Jibo可以飞快地转身。

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图7 Cynthia Breazeal和她的Jibo

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图8 Jibo复杂的双轴机械系统

Jibo不仅仅是个人语音助手(如前文介绍的3种那样),甚至还超过我将在下文介绍的Amazon Echo。Jibo堪称名副其实的“世界上第一款家用社交机器人”,它不但能与人交流,还会认人。

Jibo有着“真正的个性”,不过不是电影《Her》里Sacrlett Johansson为Smantha配音的那种略显诡异的个性。Breazeal博士(MIT教授,世界知名的机器人专家)一手打造了这款完美的家用社交机器人。

Jibo的发布时间推迟到了2016年10月份,支持者们曾为此静静地等待。软件开发者为Jibo设计了一系列程序,让它可以遵照人类的语音命令控制家用电器、灯光和其他设备。

这一系列程序中,有一项最新的功能(由早期用户开发)声音定位。这项功能可以让Jibo识别声源,在与用户对话时始终“看着”对方。

美国各地都在进行Jibo编程马拉松。开发者使用Jibo软件开发工具包(SDK)设计出很多有意思的功能,在Indiegogo众筹平台及其InDemand预售服务中展示。看着每天都在变得更多的展示视频,我实在是等不及拥有一台自己的Jibo了。

美国以外的公司和大学,也在研发高质量的非特定语音识别系统,比如中国的互联网公司百度。他们的硅谷人工智能实验室(SVAIL)用深度学习开发“深度语音”,使用人工智能神经网络进行实时翻译和转录。他们已经在汉语普通话和英语这两种变化丰富的语言的识别上取得了成功。

Google Home

2016年5月中旬,Google发布了全新的产品Google Home(图9)。显然,科技巨头Google想以此与竞争对手Amazon的Echo奋力一搏。Google Home的正式上线在2016年秋天,它希望成为一款成功的基于云端服务的智能语音识别系统,就像我将在下文介绍的Echo所做到的那样。

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图9 Google Home

用户向Google Home提问,然后说“OK,Google”,Google Home就会连接Google巨大的数据库搜索答案,然后通过内置的扬声器回答。Home的内置应用能推送通知,能让用户方便地预约事务或服务、订购机票或执行其他类似的计划任务。Google同时也在音质处理方面努力赶超Echo,比如提供更好的音乐回放。希望Google Home名副其实,能在事务繁多的日常家庭环境中应对自如。

Amazon的Echo系列

我认为Amazon Echo是机器人语音识别领域的变革力量。我曾花了一个月的时间测评Echo,并在2016年年初的一篇文章里介绍过它。它的独到之处在于,用7个麦克风组成阵列,可以在噪杂的环境中准确地识别人声。Amazon Echo系列产品如图10所示。

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图10 Amazon Echo系列产品

Siri、Cortana、Google Now以及Jibo等产品,都具备神奇的内置功能(通过连接云端实现)。但Echo系列产品(包括小巧的Echo Dot和更便携的Amazon Tap)的不同之处在于,它是独立于手机或电脑的外置设备。

有的读者可能会觉得,Jibo不也是独立的外置设备吗。的确,Jibo是有内置的语音互动功能,不过与Echo比起来它体形太大,本身就可以被视作一种独立的智能设备。Jibo如果用在大型平台上肯定很酷(比如装在机器人的顶端),就像R2D2装在天行者Luke的X翼战斗机上那样(图11)。

Amazon还有一款新的Wi-Fi产品可用于连接Alexa(Echo内置的语音助理),就是图12所示的Invoxia Triby,其外形有点像冰箱磁贴。Triby面市已经有一段时间了,它通过自身的VoIP网络工作,具备Echo的绝大多数功能,而且也使用Alexa语音识别系统。Triby有内置收音机,还有一块LCD面板,可作为家庭留言板使用。

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图11 R2D2是天行者Luke在X翼战斗机上的好伙伴

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图12 Triby——家用Wi-Fi通信设备

应用于机器人的Amazon Echo和Echo Dot

Amazon Echo系列的所有3种产品都能通过Alexa连接到云端。Echo用的是15V输入电流,3.5MM接口,Dot和Tap用的是5V(其实是6+V)输入电流,micro USB接口。只要机器人的电源系统与之相匹配,就能使用这些产品。这3种产品都内置有7个麦克风组成的阵列,具有全向语音接收功能。正是这项独门秘技,让Echo系列产品(尤其是只有227克重、金枪鱼罐头大小的Dot)特别适用于机器人语音控制。

不过,仅仅具备连接云端的能力和Alexa好听的声音,还不足以让Echo系列自动成为合适的机器人语音控制设备。(这里不包括Amazon Tap,尽管它是电池驱动的,体形比Echo小)。

我敢肯定,《机器人爱好者》的读者要么已经用过Echo产品,要么读到过关于它的介绍。所以接下来我闲言少叙,就直接讲讲它们(特别是体形较小的Dot)怎样用在机器人身上吧!2016年2月份,我用Echo的Alexa语音助手订购了一台Dot。不过不知道是什么原因,Amazon送货延迟了,直到本文快要完稿时才把我的Dot送到,我只得免为其难地快速测试了一下。今后我还将在机器人平台上对我的Dot做更多测试,再写一篇文章来介绍它。我一眼就看出来,Dot应该怎样用在Parzllax ActivityBot这样的机器人身上。

Echo或Dot的用户知道,当说出唤醒命令“Alexa”时,设备顶端的灯环就会“指向”说话者,就算身边有别人说话或播放音乐也不受影响。我还试过在楼下呼唤楼上的Echo,叫是叫醒了,不过交流的准确度有所失真。就算Dot的听力不是一流吧,但它的身材小巧,适合用于身形不一的各种机器人。而且它的5V输入电流和micro USB接口也具有广泛的适用性。

Echo的身形比Dot大,需要大于1A的15V直流电(12V也行)。它的声音输出设备是一台高音喇叭和一台独立的低音喇叭,表现低音和重音时需要额外的电流。

Dot和Echo的应用案例

在使用Echo之前,你得先用Amazon Echo应用(苹果、安卓、Kindle Fire等平台都有)对其进行设置。Amazon的用户协议要求用户同意让Amazon分析用户的语音,以便提供更好的服务。一切都设置好了以后,Echo就可以开始工作了,这时其顶端的灯环会变成蓝色。

关于Echo本身怎么用,就请读者自己琢磨吧,我在这里直接介绍它与其他家庭控制设备的配合使用。能与Echo配合使用的设备有很多,比如图13所示的belkin Wemo智能开关,图14所示的Insteon控制模块和智能中心,甚至还有Philips的Hue智能灯光系统。

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图13 Blekin Wemo智能开关

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图14 Insteon Hub和两个带调光器和开关的模块

在读到这篇文章之前,读者或许已经与Echo相处有段时间了。你用它来干什么?想必是问Alexa“今天天气怎么样”、听音乐(用Prime账号购买)、听新闻以及诸如此类的其他事情。

还有呢?如果你的Echo已经设置好,可以跟你想要使用的任何智能产品互联互通,你会让它做什么呢?让它控制个机器人怎么样?说实话,我还没有完全攻破我家里的Wemo和Insteon系统。目前我只是把它们拆开看了看,确定一下能不能与12V直流电驱动的机器人配套。

Wemo和Insteon的应用我都下载使用了,它们与120V交流电灯光系统配合得完美无暇。Insteon智能开关用的是4枚Phillips“普通”螺丝,但belkin Wemo智能开关用的是Phillips“安全”外露三刃螺丝,前面背面各2枚。

Wemo开关背面的2枚螺丝藏在标签下面。遇到这种情况,通常只要用指甲刮一下标签就能发现螺丝的藏身之处,因为标签贴住螺丝的地方会在指甲刮过时凹下去。然后用X-Acto®小刀轻轻捅破标签就行了。有的设备会把螺丝藏在橡胶垫脚后面。

Echo系列在Wemo和Insteon设备上的应用

图15就是Wemo和Insteon拆开后的样子。经检测,Wemo白色继电器的电压是5V。我接着又检测了电路板需要的电压,然后决定我的机器人用什么样的直流电源。Insteon用的是黑色24V继电器。经过调试后,我可以顺利地用语音命令Alexa控制办公室的灯光。接下去,只要为机器人准备好5V或24V的直流电源就可以了。

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图15 Insteon(上)和WEMO(下)的线路板

用Echo和改造过的开关控制机器人并不是什么难事。只要把对Alexa的命令从“起居室开灯”变成“机器人前进”“右转”左转”……就行了。

语音命令要尽量说清楚,以免发生混淆。比较好的办法是,用Echo Dot的双频/双天线MIMO Wi-Fi直接通过Wi-Fi发出命令。只要是符合802.11a/b/g/n标准的设备都可用作接收装置,比如Raspberry Pi或Arduino。

几年前,《Forbes Tech》刊登过一篇Kashmir Hill写的文章。他在文章里介绍了怎么攻破Insteon的家庭自动化系统。有一天一大早,某个使用Insteon家庭自动化系统的家伙接到一个电话,提醒他这套所谓的智能安全系统其实非常脆弱。Hill的文章名为《我黑了智能家庭:用网络控制陌生人的家》,主要内容就是揭露Insteon系统的漏洞(当然,大多数已经填补)。

belkin的Wemo系统也被黑客攻破过。所以你要小心了,属于你的任何东西只要一连上网,就有可以成为别人的猎物。

来自Slash Gear的秘笈:用Alexa控制轮椅

Slash Gear网上有一篇文章,说有人成功地使用Echo Alexa以语音命令控制电动轮椅(图16),而把这两者连接起来的是Arduion Uno电路板(图17)。文章里说,“Echo有时也不能明白你说的是什么。从使用简便的角度考虑,轮椅控制系统要求用户在数秒内说出简单的命令,规定行进方向和行进时间。最终,这套系统将用Raspberry Pi处理语音命令,绕开Amazon的服务器。那时,它将像Philips的Hue智能照明系统那样方便易用”。

这套系统使用的轮椅是Jazzy Select Elite,具备在屋子内外活动的基本功能。语音命令是这样的:“Alexa,前进4。”Alexa回答“OK”,然后轮椅会向前走一小段。接着命令它:“Alexa,右转3。”Alexa再次回答“OK”,轮椅会右转约90度。可用的命令有很多,基本就是这个套路。

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图16 用Alexa和Arduion控制的电动轮椅

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图17 基于Arduion的轮椅控制系统

文章作者指出,这套系统并没有安全保护功能。这意味着,万一轮椅出了故障,做出危险动作,坐在上面的人很可能无能为力,只能眼巴巴地看着事故发生。

作者还指出,语音命令经由Amazon服务器发送,轮椅再接受服务器信号作出反馈,其间会有信号延迟的问题,这到现在还没有解决。

结语

语音识别技术离完美二字还差得很远,不过正缓慢地取得进展,最终一定有人能摘取语音识别技术的“圣杯”。在本文中,我在Amazon的产品上费了不少笔墨,因为我看到了Amazon云与机器人结合的巨大潜力,有太多奇妙的事情等着我们去完成呢!我觉得Amazon Echo Dot很可能会在真正意义上让机器人语音控制之梦变为现实。

撇开Echo的重低音功能不说,体型较小的Dot和便携式的Tap拥有Echo的全部功能。Echo系列产品堪称惊艳之作。加州有个人非常喜欢Echo,他攻破Tesla S的系统,植入Echo,为的就是让Echo帮他把车开出车库。

像这样对Echo及其类似产品执着热爱的事例不胜枚举。如果你想了解的话,互联网上有无数的文章、访谈、攻略、讨论……等着你去发现。

挑选机器人零部件的诀窍

Tom Carroll撰文  雍琦 译

我最近读了《Robotics Business Review》杂志的编辑Tom Green的一篇文章,题为《每一台机器人都是其全部零件的总和……还多》。该文的思路把我最近的所思所想又扩展开去:“不论是制造还是维护机器人,都离不开高质量的、能持续稳定供应的机器人组件零部件。”尽管Green的关注点在商业和工人机器人方面,但他指出的上述事实同样适用于其他机器人。Green在文章中谈到的SoftBank的Pepper机器人,也将是我要讨论的话题。

当今世界,为了满足工厂、学校、军队、家庭等方面的需要,机器人已经发展出极其丰富的种类。一方面,人们为机器人技术取得的成就惊叹不已,别一方面,又很少有人敢于冒着风险去拆开一台机器人来看看它内部是怎么运转的。其实,正是那些藏在机器人外壳内的零部件和电子系统,才让机器人如其所是。

机器人的零部件,是其质量以及可靠性、功能性、耐久性等性能的根本所在,也与机器人的安装维护费用密切相关。这一点对任何种类的机器人来说都一样,不论它是好奇号火星车,还是售价仅为199美元的教育版Parallax ActivityBot。机器人的设计理念固然重要,但最终还得通过零部件来落实。想法很好,花费太高,这不是真正意义上的“好的”机器人。

不论是大型的工业化生产,还是自己家里的业余爱好,要让你的机器人真正优秀,就不能轻易放过从设计、建模、测试到着手制造的任何一个环节。我这里就以SoftBank的一款成功的商业机器人为例,告诉读者一些选用机器人零部件的诀窍。

SoftBank的Pepper机器人

Pepper是日本企业巨头SoftBank于2016年6月份在本土发布的一款崭新的机器人,前面提到的Tom Green着实夸奖了它一番。图1是SoftBank的首席执行官孙正义(Masayoshi Son)向媒体展示Pepper的情景。这款机器人是SoftBank联合法国机器人制造公司Aldebaran共同打造的,亚洲企业巨头阿里巴巴和Foxconn分别向这个项目投资了118万美元。从图2我们可以看出,Pepper品质精良,是一款用心之作。

Pepper的外壳是高强度塑料,经过精心设计,可以完美地容纳各种零部件、电路板和活动组件。设计师甚至想到,让驱动手臂的马达和主电源使用各自独立的冷却风扇。

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图1 有感情的机器人:SoftBank的Pepper

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图2 Pepper的内部结构

Pepper的售价是198000日元(约1600美元,11000人民币),原型机则用在SoftBank的手机店里,借以引吸人气。据首席执行官孙正义说,Pepper是“第一款拥有感情的机器人”——是近些年来机器人发展历程上的一个重要里程碑。Pepper能与人类进行比较复杂的交流,能把自己的所学所得上传到云端,并在云端与它的同类互动。

Pepper内置语音识别系统和高性能计算机能应对复杂场景,可以用于照料婴儿和长者,还能起到护士的作用。(我一直对这种应用感兴趣。)当SoftBank准备好大规模生产Pepper时,为其代工的将会是台湾企业鸿海精密。

Nikkei Technology和其他媒体的记者都注意到,Pepper是一款十分复杂的机器人,用于驱动身体活动的马达多达20个,包括胳膊、手、头、双肩,以及3球全向底盘(图3)。

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图3 Pepper的3球全向底盘

起初,有人认为Pepper过于复杂,似有浪费材料之嫌。不过越来越多的人认识到,这样设计是有道理的。Pepper的头部装着Intel的Atom处理器,性能相当于一台高端平板电脑。借助内置的感应器、4个话筒和ASUSTeK 3D相机,Pepper可以毫无障碍地进行语音识别和人脸识别。

行家里手总是喜欢在处理器冷却方面做点什么。Pepper的电源是装在底盘上的重达4.5千克的电池,可以让它持续工作12小时。它的总重量是29千克。SoftBank正在设法改进Pepper的内部结构,节约制造成本。

高品质的运动零部件

我在以Pepper为“基础案例”研究机器人制造时,SoftBank也没闲着,正持续不断地在各个方面作出改进,一种全新的设计呼之欲出。我在本文里还是把注意力集中在家用移动机器人上,因为这是大多数读者关心的话题。

移动机器人的样式五花八门,不过以3轮或4轮的样式居多,这取决于室内室外等不同场景的需要。另一种比较流行的设计是双足式的,顾名思义,走起来像人。

双轮加速计平衡也是一种受欢迎的设计,被认为是在模仿人类走动方面做得最好的。天上飞的机器人叫自动飞行器(AAVs,autonomous aerial vehicle),也是现在常说的无人机。类似的还有自动潜水器(AUVs,autonomous underwater vehicle),或者叫遥控潜水器(ROV,remotely operated vehicle),已经在探索水底世界方面征战多年。

买你能买得起的最好的电池

现在我们来讲讲机器人身上更关键的部件。为了让机器人动力持久,我们总是在寻求更好的电池解决方案。目前看来,制约机器人性能的最大瓶颈就是电池,特别是对于双足机器人来说。多年以来,我自己以及其他玩家或公司制造的绝大多数机器人,都是以铅酸电池驱动的。

起初,机器人用的都是液态硫酸电解液电池。这种电池原本是用在拖拉机、摩托车和汽车上的。大家都知道,不管是对人还是对机器人来说,电池都是一种危险的东西。

几年以来,我不止一次亲眼见过,因为受损或意外翻倒,铅酸电池里的电解液流出来,腐蚀了机器人的钢铝复合躯体或电路板。我甚至还看到过,从机器人身上翻出来的电池液腐蚀了汽车的钢板。

幸好,胶体电解质蓄电池在20世纪80年代登上舞台。这种电池对机器人“友善”多了,而且用在需要强电流的电路板上也没问题。此外,镍镉电池(或者叫“NiCad”)也是不错的选择。不论是强电流还是弱电流,这两种电池都能应对自如。

聚合物锂离子电池是另一种广受欢迎的电池,一般用在笔记本电脑、无人机和手机上。这种电池的优点不在于电量大,而在其扁平的外形,可以轻松装入狭小的空间。不过锂电池也不是绝对安全的,曾有汽车后座上的笔记本电脑爆炸起火而殃及整车的事故发生。在以前的几篇文章里,我还专门描述过其他的电池起火事故。

除了扁平的聚合物锂电池,还有圆柱形的,其电量同扁平状的差不多,但体积不如前者小巧。这种电池也颇受欢迎,多用在高端手持设备上。Peppe从最初的原型发展到现在,用的都是锂电池。除了上面说的这些,还有一种非常适合小型机器人的电池。正如本节标题所说的,要买你能买得起的最好的电池。如果有人随便在Amazon或eBay上买了个没牌子的进口电池来用,你可能会觉得他搞错了。不过等等,说不定后悔的人会是你呢。

镍金属氢化物电池(或者简称镍氢电池,“NiMH”)是另一种应用广泛的电池,比如在扫地机器人身上就往往能看到它的身影。一般来说,镍氢电池的电量同锂电池差不多,是镍格电池的3倍,是铅酸电池的2倍。镍氢电池刚推出来的时候,其价格比镍镉电池贵,不过现在两者的价格已经差不多了,比锂电池便宜一半。镍镉电池的主要缺点是自放电率太高,优点则是对环境友好,而且不易过热而引发自燃。总的来说,它还是非常适宜机器人的。

传说现在有一种可反复充电的锌锰电池,其储电量比锂电池更大。有人极其看好它的市场前景,不过其真正上市还得要一段时间,让我们拭目以待吧。还有,请时时牢记机器人的全局电子系统规格,因为以后如果改装更大容量电池的话,将对机器人产生全局性的影响,外形尺寸、重心、内部布局等都可能会改变。比如说,从8AH的电池换到20AH的电池,就会让机器人的整体设计发生极大的变化。

在选定电池之前,最好让机器人全负荷试运行一遍。记住,用在机器人上的电池,其额定小时率一般都是20,放电电流越大,能放出的电量越少。10小时率电池的容量不到20小时率电池的一半。

轮组

俗话说得好:“养兵千日,用兵一时。”这句话一般是用在汽车轮胎上的,不过对于机器人轮组来说也一样。说到底,机器人是要到实际场地上去见真章的,不管你在实验里模拟得有多好,最终还得“是骡子是马,拉出来蹓蹓”。

很多在家里拿制造机器人当消遣的人,往往是在临到要用的时候才去购买零部件。而在一堆需要临时选购的东西里,总是少不了轮组。机器人行驶系统的主力始终是轮组,尽管有类似坦克履带之类东西的出现,但轮组才是王道。

汽配店或网上商店往往按照功用给轮组分类,比如说玩具轮、滑板轮什么的,看着挺像回事。我想绝大多数机器人玩具都不用选用Pepper身上那种3球轮组,因为这种轮组的结构太过复杂,操控也有难度。

我有一盒非常漂亮的滑板轮,内置中央轴承组。乍一看上去,它们似乎与重量22千克左右的中型机器人很般配。但其实它们的规格与机器人会用到的轴承不相配,如果一定要用的话,要么加装环状齿轮,要么把轴承杆硬插入轮子中。

除了规格以外,选用滑板轮的时候还有一点要注意。那就是,滑板轮设计的时候是不考虑动力源的,而且只用来在平地上行驶,大多数都没法提供驱动牵引力。因此这种轮子在大多数情况下仅适于用作侧面平衡轮。

同电池一样,我依然建议你,要买你能买得起的最好的轮组。Parallax车架是我的首选,它用的是有内胎的充气式轮子,配铝质辋(图4)。一套售价299美元,不算便宜。不过一分价钱一分货,它连接马达后运行起来非常安静,而且很平滑。这套轮组还带车架,用在中型或大型机器人身上都很合适。两个轮子各有一个114位编码器,非常便于机器人测程。

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图4 parallax的高质量轮架套装

不得不承认,要为机器人安装并调试好轮组是很磨人的事。我测试过不少轮组,少有轻松过关的时候。Parallax还有其他类型的轮组,包括可以直接装到伺服器上的。除了Parallax之外,其他在本书中介绍过的生产商也有质量不错的轮组可供选用。

传动

说过电池和轮组之后,我们再来说说另一种值得投入资金的重要组件:传动系统。如果变速器和轮组系统是各自独立的,那么传动系统的设计至关重要。传动系统是连接电池和轮组的重要组件,它是让机器人高效运行的重要一环,但玩家往往会在这个地方犯错误。因为传动系统最难安装和调试,有人的干脆敷衍了事,这是不对的。

安装和调试传动系统时常犯的错误是,直接把变速器和轮组连到一起,忘了测定轴承额定负荷。在重量小于0.45千克的机器人身上,因为伺服器和马达都比较小,可以比较省心地直接把变速器的输出轴与轮组连接。如果机器人重量增大,轮组的负载也会加重,小型伺服器就一定要通过变速器里的变速齿轮才能承受边缘负载或径向负载。

马达

电动轮椅用的变速马达往往有较大的径向载荷(图5),Parallax使用的自动车窗升降马达的成套轮组系统也具有同样的能力。高级的大型机器人的变速马达多数使用蜗杆替代正齿轮,以避免后者的掉速问题。别不舍得在马达上花钱,这对于机器人顺利完成原型测试尤为重要。

ServoCity的行星齿轮变速马达(图6)是让你的机器人化蛹为蝶的不二选择,它拥有13种不同的输出速度。45RPM款的具体参数如下:

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图5 电动轮椅的马达很适合机器人

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图 6 行星齿轮变速马达

工作电压范围:6~12V

额定电压:12VDC

空载速度:45RPM

额定载荷:21 kgf-cm

最小失速转矩:153 kgf-cm

最大空载电流:0.53A

最大堵转电流:20A,12VDC

齿轮类型:行星式 轴杆尺寸:6mm

轴承类型:双滚珠 净重:380克

如果你无法直接将轮组与马达或变速箱的输出杆连接,可以用链条或错齿正时皮带。通过几组传动/变速装置,可以降低马达转速,与轮速匹配。

别指望用一堆零散的齿轮拼拼凑凑就实现变速箱的功能。齿轮的安装位置是非常关键的,普通玩家难以在齿轮上钻出位置精确的洞口,当然也就无法准确安放齿轮轴了。在这里,千分之一厘米的误差就会导致故障,齿轮要么因为啮合太紧而卡住,要么因为太松而掉速。这个钱就不要省了,买一个适合你需要的变速马达吧,别忘了要双轴承的。

行驶

机器人的行驶系统多种多样,常见的有两种。差速传动行驶系统(或称为“坦克模式”)在小型机器人当中最受欢迎,不过也有重达几百磅的大型格斗机器人选择这种方式,因为这是最易于通过无线电进行远程控制的。在差速传动模式下,左右轮各自独立,可以有不同的速度,这让机器人进退自如,能以任意角度转弯。一个简单的操纵杆就能控制机器人完成这一切。

玩家往往会在机器人底盘前后安装无动力全向防摔轮,防止机器人因倾斜角度过大而摔倒。这种设计发展出很多变体,比如给机器人的每一侧都装上差速驱动轮,或者像我下面讲到的那样,使用坦克履带。

玩家最常犯的一个错误是,没有给差速驱动轮安装“适应性”悬架。机器人在平地上疾驶如飞,可是一旦撞到障碍物,比如门槛,会怎么样呢?没错,它会“砰”的一下把自己撞得四脚朝天。

要防止这种情况发生,给防摔轮装上弹簧减震就好了。有了弹簧减震,机器人就能依靠自重把轮子牢牢按在地面上。图7是我改装过的Parallax Arlo底盘,我为悬架加装了能避免颠簸的弹簧减震。不过它的抓地力仍然不够。

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图7 加装了弹簧减震的Parallax Arlo底盘

人们都知道坦克履带在转弯时容易打滑,于是发明了代替履带的多轮行驶系统。

多轮行驶系统看起来很酷,但有摩擦方面的问题。普通的双轮配置加上前后两个防摔轮,不会在转弯时打滑。但如果是四轮、六轮甚至更多轮,转弯时就会打滑,还会产生多余的摩擦。

如果不装弹簧减震,使用多轮基本上提供不了更多的牵引力。就像我之前提到过的,如果想让轮式机器人具备较强的牵引力,那么每个轮子都必须安装适应性部件(弹簧减震),这样才能让轮子紧贴地面。

我们不妨看看有6个轮子的火星探险车好奇号是怎么行驶的(图8)。它转弯的时候,两个前轮转向一侧,两个后轮转向另一侧,这样可以尽量减小打滑的可能性。它的摇臂式悬架可以很好地应付坑坑洼洼的地面。

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图8 火星探险车好奇号

它的底盘上侧有一条横贯左右的蓝色横杠,用于协调两侧轮组的高低。有的摇臂式底盘则使用内置差动齿轮来实现同样的功能。

除了上述两种,还有一种名为“Ackermann”的“汽车式”行驶系统。这种系统也用轮子实现转向(图9),跟常在汽车上见到的差不多。请有兴趣的读者到网上找找资料,看看它是如果使用特殊的角度让两个前轮产生不同的转弯半径,以避免打滑或过度摩擦的。

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图9 Ackermann行驶系统能避免转弯时打滑。两个轮子匀与转弯轴点垂直

遥控汽车和模型车常常使用Ackermann行驶系统。遥控器长得像把枪,上面有一个小滚轮控制车的方向,另有一个按键控制车速。这种操控方式对遥控车专业选手来说毫无障碍,但对宅男来说有点难。

请记住,遥控Ackermann系统时,要时时看着遥控器上的回馈影像,或者罗盘和陀螺仪的视觉信号。

布局结构

我们已经介绍了电池、马达、轮组这3种机器人的重要部件。这3样东西并不一定是最要紧的,但对机器人的整体设计来说却最为重要。

传感器、天线、相机、手臂以芯片等等,基本上都有属于自己的固定位置,而这一切取决于机器人的整体布局结构。

电池位置

电池一般来说是最重的,位置越低越好。比如Pepper的电池就放在底盘上3个滚球之间。设计电池位置的时候还要考虑到安全防护问题,万一它着火了,最好不要殃及电路和机械系统。

我个人的建议是,电池位置要设计得便于拿出拿进。这有两个好处:万一电池着火,可以迅速把它拿出来;电池要充电,就把它拿出来,放到机器人外面充。

轮组构造

轮组的位置取决于采用的是什么行驶系统。仍以Pepper为例,它使用的是3球行驶系统,既能像三脚凳一样稳稳地站住,又具有全方向行驶的能力。3轮设计其实是非常好的轮组方案,可以与差速行驶系统或Ackermann行驶系统搭配使用。

3轮轮组的最大优点在于,不论地形多么复杂,它始终都与地面有3个接触点。在此基础上,再为轮架安装上文提及的弹簧减震,可以进一步提升机器人的稳定性能。

如果你有一台装配单通道差机行驶系统的机器人要参加格斗比赛,而比赛中可以使用超额电力,且每回合赛时较短,那么可以给4轮或6轮轮组加装2个或3个一组的侧轮,这能帮助机器人取得优异成绩。

不过,这样的加装会带来额外的表面摩擦力。如果机器人电池容量不大,工作时间又比较长,就不建议这样做了。

按需选购

对于机器人组件质量和可靠性的要求因人而异,关键要看机器人拿来做什么用。如果只是想证实某种理念是否可行,造个原型机就可以了,而原型机的质量要求跟正式的成品是不可同日而语的。

比如,如果想校正传感器以测试软件例程,那就只需要一个简单的底盘,装上需要测试的轮组就可以了,而马达、结构件、电源等等组件都可适当地因地制宜,不必苛求。

再比如,为了更好地计程或控制手臂活动角度,加装或升级轴端编码器,或者根据需要调整传感器的灵敏度和位置,这些都可以只在原型机上完成。

机械和结构设计

ServoCity及其Actobotics系列有很多好玩的机器人零部件,我毫不掩饰对它们的喜爱之情。在学校里的机器人俱乐部跟孩子们一起玩的时候,我有时候会用LEGO、VEX和Tetrix Max来搭建机器人原型。不过,ServoCity的零部件(图10)才是正式制造机器人的首选。

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图10 ServoCity Actobotics产品线的部分产品

比如,Tetrix Max和ServoCity都有横梁件,但ServiCity的横梁更粗壮,开孔也更多,可以很方便地在上面安装托架、线路、马达、抓手以及其他各式各样的组件。这种优质零部件的用途非常广泛,不论你是稍有机械知识的新手,还是为NASA设计制造火星车的机器人专家,它们都可以满足你的各种需要。

复杂设备零部件

零部件有不同的层次。以电子产品为例,我们常买的可能是成品,比如电脑、路由器、Raspberry Pi之类的东西,而一般不会去买零部件,比如定制电路板、硬盘、LCD显示器或者连接件之类的。机器人设计制造也有类似的情况,因为它跟电子产品一样,也是一种复杂的设备。

机器人是要动的,这就需要马达来驱动。而为了安装马达并让它顺利工作,就需要设计皮带、轴杆、链条等传动部件。这样的细小零部件往往是买不到合适的成品的,往往需要设计者先用CAD设计,再用3D打印机打印出模型。

结语

Isaac Asimov的短篇小说《Runaround》(收入短篇小说集《i,Robot》)中有一段话,道出了普通人是怎么理解机器人组件的。这篇写于1942年的小说,讲述的是发生在2015年的水星上的故事。有两个人被派到水星上去监督硒矿采掘工程,而有一个叫Speedy的机器人在炽热的水星上失踪了。这两个人要出去寻找失踪的Speedy,而唯一能供他们“乘用”的机器人还是2005年的老款,技术早已过时。他们是这样描述这台机器人的。

Donovan吃惊地说:“瞧它的尺寸,得有多大呀。你倒是瞧瞧啊,胸围足有3米。”

“因为它们用的是老式的McGuffy传动系统。我爬进去看过——这是你能见到的最傻的传动系统了。”

Asimov拥有生物化学博士学位,但似乎不具备机械和电子方面的知识,因此他在“传动系统”之前冠以人名,也就不足为奇了。或许有人觉得机器人产业也应该发展出专门化的零部件,就像卡车都会装Allsion变速箱那样。但我不这样想,我认为永远不会有专为机器人定制的特殊零部件。我们仍会从可靠的供应商那里购买现成组件,但剩下的部分则需要我们自己设计制造、测试完善。

最后,再一次奉上我的忠告:购买并使用高质量的机器人零部件。好的零部件铸就好的机器人。

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