【深度科普】解剖“阿特拉斯” 双足 国外

admin 3月前 56

摘要:本文针对当前先进机器人的问题,分析了双足人形机器人阿特拉斯(Atlas)的控制系统结构及设计理念。根据阿特拉斯的结构和理念,分析了的阿特拉斯的能力以及其对未来战争的影响。

           

                                                             ---------本文转自《机器人控制理论与技术》课程论文




一. 引言


机器人是人们对科技不断的发展而出现的产物,在未来时代里机器人能够代替多数人类的工作,也能够进行多种高危工作,目前世界上涌现出了很多先进的机器人。比如,人力支援机器人:主要用于帮助长期卧床的病人取房间中的物品;EKSO仿生机器人:这是一种能够模仿人体骨骼和人体动力学设计的机器人;仿四足动物机器人LS3 quadruped:可以携带181公斤的货物行走32公里,同时会根据GPS进行定位;仿真人制作的机器人HRP-4C:其体型酷似青年女性,能够识别面孔、语言和声音,同时能够很好的模仿人类的表情还具备跳舞功能;外形像海豹的机器人Paro:其身体共加了五种传感器,分别用来的声音、光、触觉、姿势、温度进行感应,Paro机器人主要用来治疗心理疾病患者;FACE:模仿人类十多种表情,逼真度达到了95%;Morpheus:完全是由大脑思维进行控制的机器人;Atlas:DARPA公司推出的最先进的机器人,具备光线检测、距离检测、以及声音传感等功能;Asimo:可以作为个人助理的机器人,Asimo通过控制器或计算机来运行,可以感知到声音、姿势甚至脸部表情,然后相应的做出回应。



2013年7月12日,高科技武器开发商美国波斯顿动力公司把一款刚刚制造成功的人形战地机器人呈送给美国军方“检视”。这款名为阿特拉斯的人形战地机器人到达军营后,展现出超强的战斗力,即获美国军方大加的肯定.



阿特拉斯的设计与生产是由DARPA,美国国防部的一个机构负责监督与波斯顿动力公司合作。机器人的一只手由Sandia国家实验室开发的,而另一只是由iRobot公司开发的。


阿特拉斯机器人是基于波斯顿动力公司早期的PETMAN人形机器人,它有四个液压驱动的四肢,它的手具有精细动作技能的能力。阿特拉斯机器人可以在崎岖的地形行走和攀登独立使用其胳膊和腿。


波斯顿动力公司发布的最新视频展示了其功能,比如在传送带上大步前进,跑楼梯,单腿站立。因此,本文将围绕阿特拉斯的机械结构和能力进行讨论,以了解目前世界上最先进的人形机器人及其对未来战争的影响。


二. 阿特拉斯机器人简单描述 


阿特拉斯有四个液压驱动的四肢,阿特拉斯机器人由航空级铝和钛建造,身高约6英尺(1.9m)高,重达330磅(150公斤),蓝光LED照明,由头部、躯干和四肢组成,像人类一样用双腿直立行走。阿特拉斯机器人配备了两个视觉系统(两个立体感应器采用感觉算法),一个激光测距仪(激光雷达)和一个立体照相机,配有一台实时计算机,以实现实时远程控制。有2只灵巧的手,它的手具有精细动作技能的能力,并且可以换装不同功能的机械手。它的四肢具有28度的自由度。机身上包含28个闭环控制位置与力量的液压驱动关节以及各式各样的传感器、液压泵和热管理系统。采用软路由应用程序编程接口,可接入10Gbps的光纤以太网。阿特拉斯机器人可以在崎岖的地形行走和攀登独立使用其胳膊和腿。





此外,波斯顿动力公司还将为其开发出应用软件,以实现“阿特拉斯”在远程操控下独立行动。操作者将通过操作软件和控制器控制机器人的传感器、关节和四肢,实现“阿特拉斯”在灾难的恶劣环境中也能行动自如,比如能开门、爬楼梯、躲避掉落的瓦砾等,小到能使用螺丝刀,大到能操控救火车,并希望新手不经训也能轻松使用这种机器人。


为什么说它是世界上最先进的机器人,大家可能都见过日本本田公司研制的“阿西莫”机器人,“阿西莫”虽然外形漂亮还拥有惊人的行走形态与上下楼时的平衡能力,但是它只能在有限的地形环境下进行正常行走和活动。




而阿特拉斯就不一样了,他完全安照人形基础来设计打造的,从而常规形态和运动形态都是模仿人类行为,并且这部机器可以非常熟练的行走、爬楼梯、上跳下跳。而这还不是最厉害的,它还可以在行进间受到物体撞击时保持平衡,智能躲避障碍物与异物,跨越攀爬坑洞。除了长得还不大像人,其他行为方面已经达到了炉火纯青的地步了。


三. 阿特拉斯的控制系统结构与设计理念



机器人阿特拉斯是一款双足人形机器人,从外形上看,阿特拉斯的头部、躯干、四肢的组成皆与人体相似,模样勇猛威武,像个壮汉一般。勇猛威武的阿特拉斯除了身体强壮外,其身手也不同凡响,它像真人一样用双腿直立行走,健步如飞。



1.阿特拉斯的结构分析 



阿特拉斯的外形与人形相似,我们就根据头部、躯干、四肢的组成来分析其控制系统。 


(1)头部


如图1.3所示,阿特拉斯具有复杂的头部,装备了立体摄像机和激光测距仪等传感器,还有两个视觉系统(两个立体传感器采用感觉算法)。




立体摄像机:涉及三维摄/成像技术。人看物体之所以是三维的,是因为人有两个眼睛,并且两眼有一定的间距,物体在两眼视网膜上产生两幅有细微差别的图象,经人脑处理后合成为一幅三维图象。摄像机具有两个间距约为人眼间距的镜头,在拍摄时分别记录下由于间距产生的两幅有细微差别的图象,模拟人眼。经过计算机合成后也就成为三维图象。三维成像技术尚未成熟,只有一些概念显示器,比如圆球形的显示器。现在三维电影院都是利用的是三维眼镜,原理就是利用光的不同偏振角度,让两个镜片透过不同的光,将两幅有细微差别的图象分别投射到人眼中,给人以三维感,其实就是在欺骗人的眼睛和大脑。



立体摄像机用来捕捉机器人所处的外界情况,检测出前面的物体,采用感觉算法,识别物体运动和方向。



激光测距仪:是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到接收的时间,计算出从观测者到目标的距离。激光测距仪广泛应用于室内室外测量领域。手持激光测距仪精度高,测量距离短适合短程高精度测量。望远镜激光测距仪适合远程测量,精度低一些。手持激光测距仪第一品牌是德国徕卡,望远镜测距仪第一品牌是美国图雅得。手持测距仪领域欧洲领先,军工测距仪方面美国领先,中国产品处于低端。



若激光是连续发射的,测程可达40公里左右,并可昼夜进行作业。若激光是脉冲发射的,一般绝对精度较低,但用于远距离测量,可以达到很好的相对精度。在阿特拉斯人形机器人上使用的是连续发射的激光测距仪,保证了阿特拉斯不仅可以在昼夜工作,而且可以快速测量出所遇到的障碍物及其距离。



激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确,其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一,因而被广泛用于地形测量,战场测量,坦克,飞机,舰艇和火炮对目标的测距,测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。阿特拉斯使用了激光测距仪提高了它在未来战争以及危险援救中所发挥的作用。 



(2)躯干



如图1.4所示,阿特拉斯机身上包含28个闭环控制位置与力量的液压驱动关节以及各式各样的传感器、液压泵和热管理系统。




28个闭环控制位置,采用闭环控制,精确控制机器人运动的方向和位置,提高了机器人的智能程度,以适应各种情况下的运动。


在阿特拉斯的胸前,安装了蓝光LED照明设备,为机器人行走提供照明,也可以作为运行的指示灯。


液压泵:阿特拉斯行走与人类极其相似,人的运动主要依靠骨骼、肌肉、神经系统等作为支撑,阿特拉斯需要行走就必须要某种方式驱动它的各个运动,在阿特拉斯上使用的是液压驱动的方式来驱动机器人的各个关节运动。


热管理系统:热管理系统研发的关键技术之一是热管理系统与发动机运行的匹配技术以及系统优化控制策略的选择问题。热管理系统效率很大程度上依赖于系统优化控制策略,控制对象包括水泵转速、电控节温器阀门开度以及冷却风扇转速等。可以根据发动机实际工作和试验情况,依据系统优化原则来制定智能化电控热管理系统控制策略,使发动机在不同工况下均工作在最佳温度范围。机器人具备了热管理系统,就可以很好地管理机器人各个部分的温度。  


阿特拉斯配有一台实时计算机,波斯顿动力公司为其开发出应用软件,以实现实时远程控制,让“阿特拉斯”能够实现远程独立行动。


(3)四肢 


阿特拉斯和人类一样,有髋关节、膝关节和足关节。机器人中的关节一般用“自由度”来表示,一个自由度可以表示一个运动可以向上、向下、向左或向右。阿特拉斯有28个自由度,为了方便阿特拉斯运动自由度的描述,建立了一个参考坐标系,其x指向它的前方,y指向它的左侧,z指向它的上方,如图1.5所示。



手臂:


阿特拉斯机器人有2只灵巧的手,由液压装置驱动,具有28度的自由度,它的手具有精细动作技能的能力,并且可以换装不同功能的机械手。手臂可以沿着不同的方向旋转,灵活度非常好,小到抓起螺丝刀,大到能操控救火车。



双脚:



① 双腿可以像人类一样直立行走,而且可以单腿站立。双腿行走由液压驱动,双腿也有28度的自由度。由于可以连续灵活行走,阿特拉斯能够在任何时间快速而顺畅的移动和行走。



② 阿特拉斯除了改变脚的位置和转向外,也可以自如的改变步幅。可以向多个方向行走,移动自然。



③ 步态控制  如果阿特拉斯机器人失去平衡有可能跌倒,以下三个控制系统将起作用,以防止跌倒,并继续保持行走的状态。



a. 地面反作用力控制:脚底要适应地面的不平整,同时还要稳定的站住。 b. 目标ZMP控制:当由于种种原因,阿特拉斯无法站立时,需要控制它的上肢反向运动来控制即将产生的摔跤,同时还要加快步速来平衡身体。  c. 落脚点控制:当目标ZMP控制被激活的时候,阿特拉斯需要调节每步的间距来满足当时身体的位置,速度和步长之间的关系。



(4)电源



阿特拉斯整台机器通过连接电缆由外部电源供电。



2. 阿特拉斯控制系统结构



根据前面对阿特拉斯的各个部分的分析,总结出阿特拉斯的控制系统结构图如图1.9所示,阿特拉斯的各个部分由本身所带的实时计算机所控制,以保证阿特拉斯的运动协调,实现各种功能。





3. 阿特拉斯的功能展示 



在网上的最新视频展示了“阿特拉斯”的能力。它在传送带上大步前进,躲开传送带上突然出现的木板;从高处跳下稳稳落地,两腿分开从陷阱两边走过,然后跑上楼梯;单腿站立,被从侧面而来的球重撞而不倒。



美国国防部高级研究项目局项目经理吉尔·普拉特说,该机构希望“阿特拉斯”在灾难的恶劣环境中也能行动自如,比如能开门、爬楼梯和移动等,也希望它能使用从螺丝刀到救火车之类的工具。 



能力超强:能单腿站立,从侧面飞来的球撞不倒。



由于“阿特拉斯”能像人类一样用双腿直立行走,故分类为人形机器人,令人联想起科幻电影中的“终结者”。



四. 未来战场的阿特拉斯会叛变吗 



未来战争中,自动机器人士兵将成为作战的绝对主力。但美国海军研究室在关于机器人士兵的研究报告《自动机器人的危险、道德以及设计》中,对军方使用机器人提出警告,建议为军事机器人提前设定严格的设计和使用“紧箍咒”,否则整个世界都有可能毁于他们的钢铁之手。 



报告指出,现今美国的军事机器人设计师往往急于求成,常常会将还不成熟的机器人技术急匆匆推入市场,促使人工智能的进步在不受控制的领域内不断加速发展。更糟糕的是,还没有一套控制自动系统出错的有效措施。如果设计出现错误,足以让全人类付出生命的代价。



以往战地机器人多属于“专项技能”非人型机器人,比如像汽车模型的“赫尔墨斯”的机器人主要用于探穴钻洞;像方盒的“背包”机器人则专在巷战中捕捉、分辨对方狙击手的细微动作;有款叫“仿生苍蝇”的机器人则是用来做战地手术的。



美国国会曾通过法案规定:到2015年前,1/3的地面战斗将使用机器人士兵。为此美国投入了历史上最大的单笔军备研究费1270亿美元,以完成未来战场上士兵必须完成的一切战斗任务,包括进攻、防护、寻找目标。据悉,美军未来一个旅级作战单元,将至少包括151个机器人战士。



“兵变”的后果是比较严重的。机器人士兵会“叛变吗?2008年,美军将3台带有武器的“剑”式作战机器人部署到了伊拉克,想验证一下战地机器人的 “作 战效果”,但这三台机器人还没有放过一枪就很快被从战场撤了下来,原来是发 生了很可怕的事情:战地机器人把枪口对准了美军的人类指挥官.


战地机器人的“叛变”原因有两条:一是机器人装有的“作战程序”本身会 出现错误,从而导致机器人不会按原有的既定程序“打击敌人”,反会“伤害自己人 ”。二是机器人的“作战程序”会受敌国“机器人病毒”的入侵,从而导致程序变异,这会让战地机器人成为被敌国控制的“机器”,让其具有了叛变性 质。鉴于战地机器人有“叛变”的必然性,所以美国机器人战争伦理研究所提出忠告:战地机器人设计太急于求成,常常将还不成熟的机器人技术推入市场 , 促使人工智能的进步在不受控制的领域内不断加速发展 。更糟糕的是,目前还没有一套控制自动系统出错或是完全隔离电脑病毒的有效措施,如果预装的程序出现错误,整个世界都有可能毁于战地机器人之手。



五. 总结



本文针对最先进的人形机器人特拉斯,分析了阿特拉斯的控制结构系统和设计理念,阿特拉斯使用了各种先进的技术,像立体摄像机、激光测距仪、采用各种传感器等,称他为世界最先进人形机器人当之无愧。同时分析介绍了阿特拉斯所具有的各种功能,阿特拉斯可以用于援救等方面,但是这是美国军方开发的一款战地机器人,美国国会法案规定,到2015年前,三分之一的地面战斗将使用机器人士兵。阿特拉斯是美军研发的最先进的战地机器人,因此,在未来阿特拉斯将会被美军投入到战争中使用,阿特拉斯在未来战争中将发挥巨大作用,它将对未来战争产生巨大影响,其中有些好的方面,也有不好的方面,因此,人类应该理性使用机器人投入战场。


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