盤點20項機器人行業(yè)前沿技術

　　美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEEE）從專業(yè)角度，介紹 最近在瑞典斯德哥爾摩召開的“國際機器人與自動化大會”（ICRA）中的20種機器人技術，設計重點在于以創(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(qū)動、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(xiàn)實、組織微型機器人團隊等方面。

　　1.以視覺觸須傳感來校準制圖——仿生觸須機器人

　　對于那些要在現(xiàn)實世界中長時間工作的觸覺機器人系統(tǒng)來說，能自動糾錯校準是其保持長期穩(wěn)定的前提，Bellabot就是這類機器人。它像個由許多“眼球”組成的大“復眼”，每個“眼球”伸出一根仿生觸須，由電動人造肌肉驅(qū)動，通過攝像機提供視覺錯誤反饋，還有一個標準的工業(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濾模型，通過視覺觸須傳感圖來校準操作誤差，提高操縱機器人定向運動的精確度。操作容錯度或傳感陣列損害都可能造成圖像缺陷，Bellabot能通過學習算法不斷調(diào)整傳感圖中的缺陷。

　　2.筋線驅(qū)動結構靈活——彈性仿人類脊椎

　　人類脊椎由韌帶、椎間盤和肌肉來保持穩(wěn)定性，強度高且轉(zhuǎn)動靈活，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(wěn)定性。為此，研究人員提出一種基于有機硅和筋線來驅(qū)動的連續(xù)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多自由度樣機，通過彈性筋線模擬人類頸部運動，有助于將來設計機器人頸椎，還可作為一種測試平臺，開發(fā)類似機械的控制方案。

　　3.共同承擔重負荷——微型機器人團隊

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

　　通過實驗檢測了三個團隊，一種是以剛毛推進的小爬蟲，一種是會慢走和快跑的6腳小昆蟲，還有一種通過兩個輪子運動的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μTug能在自身限制內(nèi)運作，6個一組產(chǎn)生的拉力就能超過200牛頓。

　　4.筋線驅(qū)動抓握多種物體——可穿戴聚合物手套

　　這是一種由聚合物材料制造、筋線驅(qū)動的可穿戴機器手套，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(jù)不同人手的大小做調(diào)整，保護使用者不受傷，而且透氣性好，能嵌入特氟龍管來裝置線路。

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

　　5.能與環(huán)境互動保持平衡——有腿機器人TORO

　　有腿的仿人機器人要能執(zhí)行多種任務。它們要能與環(huán)境互動，遇到外部障礙時能扭轉(zhuǎn)身體，同時還要保持穩(wěn)定協(xié)調(diào)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，先把所有的任務力/力矩分配到終端受動器，然后按照任務級別映射到連接空間。

　　6.多模式飛行取物——帶自動吸盤的飛行器

　　研究人員給這款飛行機器人安裝了他們的專利技術——自動緊密吸盤，同時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，以被動驅(qū)動的方式抓取不同形狀的物體。這種自動吸附“抓手”還能用一個或多個吸盤，讓飛行器在抓取攜帶物體方面變得“多才多藝”，比如先抓住一個不放，然后再抓第二個。

　　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(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。為了克服這些難題，他們測試了吸盤設計有無任何漏縫、驅(qū)動力、最大抓握力，還測試了每個“抓手”零件的性能、飛行器把力道傳遞給吸盤的能力、系統(tǒng)吸附傾斜表面的能力，最后測試了飛行器用多個吸盤抓取多個物體的能力。

　　7.能自行移動的“松樹”——TransHumUs移動機器平臺

　　TransHumUs出現(xiàn)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動的松樹，原意是將樹木從其固定的根部釋放，展現(xiàn)自由生命的力量。

　　TransHumUs證明了先進的移動機器人技術還能對當代藝術發(fā)展做出貢獻。在此次機器人大會上，研究人員從技術角度揭示了如何讓松樹自由移動。其難點在于設計初始的機器平臺，讓樹木能根據(jù)自身的新陳代謝移動。

　　8.能還原陰影區(qū)隱藏的形狀——新型場景工具

　　用機器人來進行移動繪圖時，要生成交互式靜態(tài)地圖會受到臨時出現(xiàn)的物體干擾，如過往車輛、行人、自行車等。對此，研究人員的解決方案是利用一系列激光點云，填充移動物體在現(xiàn)場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，這種場景工具非常有價值。

　　研究人員利用一種復雜的專業(yè)TSDF函數(shù)在三維像素網(wǎng)格中處理激光掃描，然后用總變量（TV）調(diào)整因子結合一種專業(yè)術語的數(shù)據(jù)，插入丟失的表面圖形。研究人員稱，這項技術能填充約20平方米被移動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.指尖上的類傳感器——多手指的集成控制機器手臂

　　雖然目前這個機器手臂只有3根手指，但每個手指能獨立運動，極其靈活。研究人員利用裝在指尖的類傳感器，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控制整體，能用抓取目標給指尖定位，迅速控制整個手臂的位置和姿勢。

　　當手的位置和姿勢出錯，無法只通過指尖運動控制時，可以通過手臂來調(diào)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那樣廉價的光學傳感器，只需提供較粗略的圖像數(shù)據(jù)，就能讓它抓住目標。

　　10.逆向運動學加六自由度新設計——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(qū)動任務操作桿。利用一對結合的筋腱，讓機器臂的運動模式基本實現(xiàn)了最優(yōu)化，擁有最大的速度和最大的空間配置，同時減小了手臂的總體質(zhì)量。

　　逆向運動學方案是把6-DoF問題分成了2個3-DoF問題，逐級分解再把結果合并，展示的機器臂有一個關節(jié)是冗余的，其實是一種5-DoF方案。這種空間挖掘式設計最終使整體結構強度最大，而連接關節(jié)質(zhì)量最小。這種設計還能改善非手持式筋線操作桿，把每個自由度所需的驅(qū)動器減少到1個。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(qū)動器——最舒適的外骨骼

　　在外骨骼設備中，控制板能提高彈簧或驅(qū)動器的性能。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(nèi)改變狀態(tài)。

　　研究人員把控制板和彈簧串聯(lián)在一起，每個控制彈簧重26克，再將多個彈簧并聯(lián)，可以分別調(diào)整它們的硬度。通過調(diào)整彈簧數(shù)量，系統(tǒng)可以產(chǎn)生6個級別的硬度，力度從14到501牛頓。

　　12.差異給料控制邊角匹配——會自動調(diào)整布料的縫紉機

　　這是一種用在自動縫紉系統(tǒng)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度變化。利用這種控制方法，可以通過端點檢測，獨立控制上下兩部分的給料速度，使兩塊布料保持對等。研究人員同時還提出了不同的矯正誤差方案，并進行了實驗。

　　13.與虛擬現(xiàn)實結合——空間引導定位機器臂

　　這是一款利用虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）眼鏡執(zhí)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。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，眼鏡視域中會出現(xiàn)一個箭頭標記，指示人工操作桿和機器臂應該到達的位置，通過比較實驗，用機器臂定位操作比人工操作桿效果更好。

　　14.通過五萬次實驗學習挑選物品——人工智能管理

　　這款人工智能模型利用機器學習算法不斷探索人類標簽數(shù)據(jù)庫，通過5萬次抓取實驗，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡（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——新型觸覺變形表面

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

　　16.“向日葵”式太陽能電池板——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(qū)動器（SRA），可以像向日葵那樣隨陽光改變方向，作為一種自動調(diào)節(jié)的光伏太陽能電池支持平臺，并能與建筑物結合在一起。

　　研究人員指出，與傳統(tǒng)驅(qū)動器，如直流馬達、水壓發(fā)動機或氣壓活塞相比，SRA系統(tǒng)越來越受歡迎，其品質(zhì)柔軟、形態(tài)簡單、功率重量比高、抗干擾性強，能適應外部振動和不利環(huán)境條件，而且設計靈活，容易調(diào)節(jié)，成本較低。

　　17.結合三個旋轉(zhuǎn)掃描鏡的旋鏡3——超廣角高速監(jiān)控器

　　旋轉(zhuǎn)鏡是一種新型光學高速監(jiān)控器，克服了以往高速監(jiān)控器視野范圍（小于60°）的限制。最新一款稱為旋鏡3，由3個自動旋轉(zhuǎn)鏡組成，能實現(xiàn)超廣角監(jiān)控，理論視野范圍達到360°。

　　根據(jù)這一機制開發(fā)的旋鏡3樣機，平面方向的實際視野范圍超過260°，能在10毫秒內(nèi)快速反應。此外，樣機結合了1000英尺/秒的高速視覺系統(tǒng)，能實現(xiàn)高速跟蹤監(jiān)控。研究人員專門開發(fā)了視覺跟蹤算法，能毫不費力地跟蹤抓拍到被兩個人打來打去的乒乓球。

　　18.上下盤旋、翻滾自旋樣樣行——全方位飛行器模型

　　研究人員通過靜態(tài)力和力矩分析，設計了一種6個自由度的新式飛行器，外觀是一個立方體框架，內(nèi)部合理地排布著8個螺旋槳，使飛行器的靈活度達到最大。它不僅能在空中平穩(wěn)地上下飛行，前后旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)永磁體控制平臺

　　通過電磁驅(qū)動系統(tǒng)控制的微型機器人，在生物醫(yī)療和微流設備中有著廣闊應用前景。研究人員設計了一種磁控裝置樣機，由8個較大的旋轉(zhuǎn)永磁體組成陣列，能以5個自由度精確遙控簡單的無繩微磁體，精確程度達到亞毫米級。在演示中，這一系統(tǒng)能產(chǎn)生任意方向的場和梯度場，控制250微米的微磁體按任務路徑運動，精確度達到39微米。

　　20.夸張動作逗人發(fā)笑——喜劇演員機器人

　　這種機器人能做出滑稽夸張的動作，逗人發(fā)笑，有望用來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(yī)療方法，因為人們至今尚未完全理解笑的機制。非語言的滑稽表演可能超越文化和語言，因此逗笑機器人有助于揭示人們?yōu)楹螘l(fā)笑。

　　研究人員對喜劇演員的夸張動作進行了專門計算，提出一種人形手臂設計，擁有靈活的輕質(zhì)關節(jié)，通過雙發(fā)動機驅(qū)動，能在廣闊空間迅速揮舞運動。