走向新世纪的机器人“先行者”

作者: 公孙圣;卿瑞

人类的想象和智慧使世界变得奇妙无比

我能走了,神气不神气

世纪之行“先行者”

2000年11月29日,我国独立研制的第一台具有人类外观特征、可以模拟人类行走的类人型机器人“先行者”,在国防科技大学实验室和大家见面了。

“先行者” 通过它的电脑语音系统亲切地向人们问候:“您好,我是国防科技大学研制的第一台类人型机器人。欢迎您来参观,希望得到您的关心和呵护。”这台能模仿人类基本行为动作的机器人,是国防科技大学科研人员10年艰苦攻关的结晶,是中华民族智慧的又一次闪光。

这台高1.4米、重20千克的类人型机器人,被定名为“先行者”,昭示着它在我国类人型机器人研制历史上的开拓作用。“先行者”不但具有类似人一样的头部、眼睛、脖颈、躯干、双臂与两足,而且具备了一定的语言功能。与国防科技大学1990年研制的我国首台两足步行机器人相比,这台类人型机器人实现了多项关键性技术的突破:从只能平地静态步行,到快速自如的动态行走;从只能在已知环境中行走,到可在小偏差、不确定的环境中行走;行走频率也由每6秒1步,提高到每秒2步。

作为国家高科技实力的重要标志,类人型机器人集机、电、计算机、材料、传感器、控制技术等多门学科于一体。国防科技大学科研人员在取得两足步行机器人技术的基础上,经过近10年的攻关,在机械结构、控制系统结构、协调运动规划和控制方法等机器人关键技术方面取得一系列重大突破,把机器人神经网络技术研究推向了新的高度。

从“两条腿”开始迈开步伐

我国第一台类人型机器人“先行者”究竟是怎样诞生的呢?

这还得从1985年在日本举行的世界著名的筑波博览会说起。当时,美国研制的世界第一台两足步行机器人和日本研制的两足步行机器人成了大会焦点。各国专家学者围作一团,兴奋地观看机器人的表演,赞叹不已。

在拥挤的人群中,有位中国人外表平静,内心却波澜起伏,他就是中国国防科技大学的常教授。常教授脑子里只有一个念头:中国什么时候能够创造出属于自己的两足步行机器人? 一回到长沙,常教授连家都没回,就走进我国自动化专家张教授家中,把筑波博览会上的见闻一古脑地说出来。张教授站起来坚定地说:“美国人有,日本人有,中国人也必须有!”

从这一天起,中国研制两足步行机器人的艰辛历程开始了。

伟大的发明家爱迪生曾经说过:“上帝创造人类,两条腿是最美妙的杰作。因为两条腿不但要支撑全身的重量,而且还要保持身体的平衡。”一个多世纪以来,全世界的机械学专家们把攻克两条腿的机器作为机械和自动化控制领域的最高目标,研制具有人类外观特征和行为特征的机器人成了人类的梦想。

所以,研制类人型机器人,科学家首先得从两条腿做起。

在当时简陋的工作条件下,常教授和他带领的科研人员只能依靠手上的铅笔、尺子,凭着一股坚韧不拔的精神来研制两足步行机器人。

“先行者”的两条腿,让科学家们费尽苦心

两足步行机器人要站起来,各关节必须高度灵活和可控,对电机的要求十分苛刻。他们采取皮带传动的方式解决了机器人大腿、小腿、脚面协调的技术难题。1987年12月31日,中国第一代平面运动型6关节两足步行机器人在国防科技大学诞生了。

为了让机器人走得更好,从国外留学归来的博士王教授,把目光盯在了神经网络等一系列高难度课题上,潜心研究,刻苦攻关,终于完成了我国第一套机器人神经网络系统工程。

为了提高机器人的环境适应能力,专家们运用约束控制力矩、合理分配及部分关节优先准则等概念,实现了机器人上下斜坡和跨越障碍步行运动。

经过艰苦的努力,1990年年底,国防科技大学研制成功了中国第二代空间机器人。它是我国第一台较为完整的两足步行机器人,具备前进、后退、左右侧行、左右转弯、上下台阶等基本步行功能,基本可以模拟人下肢的动作。

从1991年开始,国防科技大学的科研人员把瞄准两条腿的机器人的目光,转向具有双手协调、神经网络、生理视觉等一系列与人类相仿功能的类人型机器人身上。

机器人实验室又重点对机器人控制器和下肢承载能力等关键技术进行了攻关,为机器人增加了上体和手臂,提高了控制系统的可靠性和机器人系统的演示度。

2000年11月29日,就在20世纪即将结束之时,中国第一台类人型机器人终于在国防科技大学实验室迈开了双腿。

大步走向新世纪

“走”得更稳只为“走”得更好

类人型机器人具有广泛的应用领域,不仅可以在有辐射、有粉尘、有毒等环境中代替人类工作,而且可以在康复医学上形成一种动力型假肢,协助截瘫病人实现行走的梦想。但是,机器人最主要的应用还是国防和军事领域。

国防科技大学机电工程与自动化学院机器人实验室主任马博士认为,军用机器人有可能成为一种新概念武器,在未来战争中有着广泛的应用前景。在现代战争中,核武器、化学武器、激光武器、灵巧炸弹及巡航导弹等各种先进武器具有极大的杀伤力,单凭士兵的勇敢已很难取得战争的胜利,而且战斗人员的生命安全受到的威胁越来越大。因此军事战略家们普遍认为,在未来的战场上,机器人武器将扮演越来越重要的角色。

目前研究较多而且可能最早在战场上出现的是无人侦察车辆,也就是通用机器人车。它们多数是对现役战车加以改造,利用车上的各种传感器,深入敌区进行昼夜侦察的机器人。如 果给它们装上不同的武器,也可以成为遥控战车。美国研制的无人作战车辆主要有海军战队的遥控战车、陆军的遥控机动反坦克战车、陆军的突击队员遥控车等,它们可以完成侦察、封锁及反坦克等不同的任务。

现在,美国已研制出各种军用地面机器人、水下机器人武器、无人机数十种高科技产品,有的已经开始装备部队并投入了实战使用。目前,美军中有100多项战斗任务可以由机器人冒险承担,如机器人弹药装填手、机器人排雷车、无人值守雷达等,他们还把机器人考察车送上了火星。

在美国陆军研究室主办的“2020年的机器人”研讨会上,与会者对21世纪的陆军机器人进行了探讨,认为21世纪将会有大批先进的军用机器人装备部队。在未来军队的编制中,将会有“机器人部队”和“机器人兵团”,还会有专门培养指挥机器人作战的机器人军事指挥院校。随着科学技术的发展,机器人完全有可能像士兵一样在未来战场上冲锋陷阵。

80年代是PC计算机时代,90年代是互联网时代,21世纪则是机器人的时 代。“先行者”的诞生说明我国的机器人生产水平在国际社会上已经占有一席之地。但是我国“机器人学”起步较晚,总的来说落后于日本、美国等发达国家的水平。研制出更先进、更科学的高智能机器人的任务将会落在我们的小读者身上。

类人型机器器人小档案

★ “皮诺(PINO)”是日本科学技术振兴事业团开发的玩具机器人。“皮诺”身高70厘米、体重4.5千克,可以模仿1岁婴孩行走。“皮诺”全身共有26个关节,脚心装有一个可测量重心的传感器,眼睛可分辨红、蓝、黄等颜色,并自测距离。它还能挥手及蹒跚行走。开发者希望皮诺能成为一个现代版的“皮诺曹”,受到孩子们喜爱。

★ 2000年11月20日,日本本田公司推出新型双脚步行机器人“ASIMO”(Advanced Step inInnovative Mobility)。这款机器人身高1.20米,体重43千克,它可以自由地步行,并具有“预测运动控制”功能,也就是说它可以预测到以后的动作,移动重心来改变步行的形式,使得从直行改为转弯时的步行动作变得连续流畅。它还可以改变步行速度以及脚的落地位置和转弯角度,另外还可以轻易地模仿螃蟹的行走模式、原地转弯以及具有节奏感的上下楼梯等动作。“ASIMO”被改善了手臂的动作范围,它的手臂在抬到水平位置的基础上后,还可以进一步抬高15度,从而使手臂的动作范围达到105度。

★ 2000年11月21日,日本索尼公司在东京推出类人型机器人“Sony DreamRobot-3X”(SDR-3X)。“SDR-3X” 身高 50厘米,重量为5千克。它可以完成的动作有以下7种:①最高速度为15米/分的前进、后退、左右横行;②在前进过程中左右转身(异步转90度);③由俯卧或仰卧状态起立;④单腿站立(在斜面上也可做此动作);⑤在凹凸不平的路面上行走;⑥踢球;⑦舞蹈。另外,“SDR-3X” 还可以识别20种声音,说20句话,并识别颜色。