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推荐语：SERVO机器人爱好者杂志机器人教程机器人控制系统制作智能机器人无人机和家用机器人

作者：美国SERVO杂志,荣耀译

出版社：人民邮电出版社

出版时间：2017-12-01

书籍编号：30470965

ISBN：9787115470676

正文语种：中文

字数：113474

版次：

所属分类：互联网+-人工智能

版权信息

书名：机器人爱好者（第6辑）

作者：（美）SERVO杂志

译者：荣耀　田力　雍琦等

ISBN：9787115470676

版权所有 · 侵权必究

内容提要

本书是美国机器人杂志《Servo》精华内容的合集。

全书根据主题内容的相关性，进行了精选和重新组织。全书内容分为4章：第1章介绍了机器手技术的发展、自动驾驶汽车和机器人的危险性、理想的家用机器人和未来的机器人等主题；第2章是自己动手制作无人机专栏文章（第二篇）；第3章是自己动手制作水下机器人专栏文章（第一篇）；第4章是全球机器人领域最新的研究动态和资讯，还介绍了波士顿动力机器人研究的最新进展。

本书内容新颖，信息量大，对于从事机器人和相关领域的研究和研发的读者具有很好的实用价值和指导意义，也适合对机器人感兴趣的一般读者阅读参考。

“对机器人来说，终端受动器是指连接在机器臂上的设备或工具，如同人的手臂末端连着手一样。终端受动器作为机器人的一部分，承担与周围环境互动的功能。它的结构以及驱动它的软硬件，都取决于机器人的整体设计。在制造业领域，机器臂一旦调试好，可以在不调换终端受动器的辅助硬件，不调整软件功能的情况下，完成特定的几种作业。如果机器人的任务是要抓取物体，那么机械爪就是最合适的终端受动器。如果机器人的任务是旋紧螺丝，那么终端受动器就要换成会旋转的那种。”

01　机器人技术概述

机器手会像人手一样万能吗？

Tom Carroll撰文　雍琦译

我最近在《连线》杂志上读到Clive Thompson写的一篇有意思的文章：《还差一双手，机器人就真得活起来了》。他重点说到了在韩国的举办李世石和AlphaGo的围棋对战，后者轻松取胜。就“物理”形式而言，围棋不过是把棋子一个个地放到19×19的棋盘上，被敌方围住的棋子要从棋盘上拿走，最后哪方占的地盘多，哪方就获胜。而在围棋人机大赛中，AlphaGo的棋子都要由人类来帮助落到棋盘上。

人工智能在围棋比赛中战胜人类，这绝对是个大新闻。计算机程序一向被认为不擅长围棋这类游戏，更别妄想战胜大师级人物了。因此，AlphaGo获胜的意义重大，超过了当年深蓝在象棋棋盘上战胜Garry Kasparov的意义。不过，Thompson在他的文章里笔锋一转，谈到一个挺尴尬的问题：摆放棋子。这对人类来说轻而易举，但却让机器人犯了大难。

图1是Zohar Lazar创作的一幅漫画，机器人因为不会摆放棋子，紧张得脑门发汗，鼻涕眼泪直流。这当然是漫画的夸张，机器人既不会发汗流泪，也不会慌张发抖。但是，对机器人来说，操纵简单的物体并不像人想得那样简单。

图1　Zohar Lazer在《连线》杂志发表的机器人漫画

会下象棋的机器臂

让我们把视线转向国际象棋风靡全球、热火朝天的那段历史。那时候，有一家名为Novag的公司发明了一种新的国际象棋玩具——Robot Adversary（图2）。这种玩具是在1982年面市的，主要由一个Zilog Z-80微处理器和一个简单的机器臂组成。它的机器臂悬在棋盘上方，可以沿X或Y轴移动，并在Z轴的方向上落子/取子。

图2　Novag的Robot Adversary国际象棋玩具

加州圣塔安那高级计算机产品公司（Advanced Computer Products）的老板Dave Freeman送给过我一台Robot Adversary。有一位朋友玩坏了它的机器臂，我曾想把它修好，但未能如愿，不过我到现在还保存着它。机器臂的前后两截都悬在棋盘上，前截直接控制机器手的上下移动，跟人类摆棋子的方式差不多。机器手有3个手指，可以张开到120°。1982年的时候，机器人才刚刚开始走向大众，可以想见Robot Adversary在当时有多么酷炫。

神奇的人手

即便是现在最好的机器手，仍然完全无法与人类的手媲美。我先举一些例子，再作讨论。看看你自己的手吧，每个手指都动一动，做一个Spock船长在说他的经典名言“生生不息，繁荣昌盛”时经常做的手势：瓦肯举手礼（图3）。请注意，中指、无名指、拇指都是分开的。做出这个手势足以说明你的手非常灵活。

图3　《星际迷航》里Spock船长的瓦肯举手礼

我们的手指不仅仅是会卷曲和会朝各个方面转动而已。我们的手可以紧握棒球棍，也可以操纵游戏杆；可以只卷起手指上端，也可以全部握起来；还可以做出瓦肯礼举手礼那样的姿势。当握紧拳头的时候，可以感受到手腕处的紧张感。没错，我这里是在说一种不可思议的机械结构。

我没必要在此重复几年前已经说过的人手生理学，而是想从机械人的角度谈一谈“终端受动器”。

典型的机器手以及“终端受动器”

最早的工业机器人都是为特定任务设计的，它们的机器手也是如此。WhatIs.com网站曾如此描述“终端受动器”：

从这段描述里你可以看出，终端受动器形式不一，可以是扳手、螺丝刀，也可以是机械爪。不知你记不记得，《星球大战》里的R2D2机器人拥有一套工具，或者也可以叫探针（图4）。用这套工具，它可以接入死星上的计算机系统，下载数据。在我看来，R2D2的工具与其说是数字化的，不如说是机械化的。不过电影里的英雄还是借此发现了死星的弱点，并躲过了惨遭垃圾挤压器蹂躏的厄运。这种具备基本功能的机器手，是工业机器人和家用机器人都需要的。

图4　《星球大战》里的R2D2机器人利用工具潜入死星数据库

机器手的各类

在细说机器人的操作能力之前，我得先说一说在移动机器人上常见的两种机器手。PR2机器人使用的平行机器手（图5）是一种很流行的设计。正如它的名字所示，这种机器手的两根手指不管怎么动都呈平行状态。另一种流行的设计称为“钳式”，可以沿单轴或双轴开合转动，单轴的像钳子，双轴的则像爪子（图6）。

因工作要求的不同，机器手的样子也不一样。有些机器手具有内部扩展功能，例如用橡皮气囊代替特定的机器手，而在橡皮气囊上可以挂载端咖啡的盘子，或是其他各种各样的工具。

图5　Willow Garage公司的PR2机器人用它的机器手小心地举地一个箱子

图6　ServoCity的水平式机器手

图5中的机器人是Willow Garage公司的PR2机器人，从设计到制造都很精巧，售价约为40万美元。这张图片取自IEEE综览网上机器人栏目在2016年6月的一篇文章——《PR2机器人学会了抓取难以抓取的东西》。PR2遇到了一个大箱子（图内绿色区域所示），有点无奈地瞧了一眼自己的平行式机器手，琢磨着该怎么办。幸好，箱子一侧的中部开有一个小孔。PR2的肩部储藏着一个销子，它的手正好能够着，拿这个销子插入箱子上的小孔，就能把箱子举起来了。

图7展示了PR2如何用15分钟时间叠好一块毛巾，这对人类来说不过是几秒钟的事情。但是，PR2在这方面已经很成功了，还很少有机器人能做得如它一样好。

上文所说的举起箱子这种事情，对你我来说都很简单。我们会观察箱子，判断它与我们的角度及以销子插入的角度，还能看出销子的形状粗细与开孔是否匹配，开孔的深度够不够。我们会先把销子放到洞口，然后小心地慢慢地把它摇进去，直到完全插入。

上述步骤，同我们把用好的钻头放回工具盒差不多，当然工具盒一般会有两层。如图8所示，找到钻头的位置并放好只要几秒钟就可以了。我们把钻头滑入第一个洞口，然后把工具盒稍微摇几下，钻头就会自己滑入第二个洞口。这样简单的事，对机器人来说可是非常不容易的。PR2不但要配备内置一系列算法的复杂的视像系统，还得身边正好有合适的销子可以用。

图7　凭借平行式机器手与成熟的视像系统配合，PR2能叠毛巾

图8　稍稍摇几下工具盒，就能让钻头滑入正确位置

全能的人手

不知道你有没有参观过现代化大型工厂，就是那种各个生产环节中都使用自动化设备的工厂。在这种工厂里，有的机器人负责喷漆，有的负责点焊，有的负责气割/气焊，有的用真空式抓手，有的用扩展式抓手，真可谓不一而足。每种工作任务都由专门为此设计的特定机器手完成，而没有一种所谓的“全能”机器手能把所有的活都干了。

不同于机器人，人类是有血有肉的，没法换手。我们总不能打高尔夫球时用一种手，缝高尔夫T恤时再换一种手。说实在的，我们根本不需要换手，因为我们的手是全能的，干什么都不在话下。上一分钟在搬运刚刚锯下来的大块木材，下一分钟就能精巧地把插入皮肤的木刺挑出来：这是人手的能力。

人手的触觉功能

视觉是人类最重要的感觉，我们得先看到某样东西，才能谈得上对它做点什么。那在漆黑一片的环境里怎么办呢？只好借助其他感官了，例如触觉。你有没有碰到这样的情况：钻到车底修车子，身子基本动不了，但需要换一个能卸下启动马达镙栓的扳手？

你知道扳手放在腰部附近，凭感觉抓到了两把，再拿手指伸到扳手开口的地方试一试大小，就知道了大的那把是适用的。是的，你猜对了，就是它。

现在，试着想象一个更复杂的任务，例如，拆开再装好一把手枪。图9展示的是P229手枪拆开后的样子，很复杂吧。想象你在一个伸手不见五指的战场上，你的AR-15冲锋枪掉到泥潭里了，需要当场拆开清理，还得按原样装好。可能你已经训练过无数次拆装冲锋枪了，但在战场上情况却不一样，这是性命攸关的事情。

图9　SIG P229手枪拆开后的样子（Reddit.com）。你能在黑暗环境下装好它吗

人手的触觉功能可以帮助你完成任务。你的手指能够感知冲锋枪的每一个部件、弹簧、螺丝，还知道它们各自的位置应该在哪里。机器人能做到吗？

手臂的灵活性

小狗小猫有时会拧着脖子脑袋抓背上的痒痒，有时则会用后爪把自己全身撸一遍。看到了吧，没有臂膀的话，手或爪子基本上也就没用了。

人手基本上可以摸到身上的每一个部位（背上有些地方可能不大好摸到）。它当然比猫爪或狗嘴有用多了，不仅因为有5个灵活的手指，还因为有手臂的帮助和指挥。

机器手要有多轴机器臂的帮助

不论机器手有多么精巧特殊，如果它够不到应该够到的地方，那就一点用都没有。我曾在中学机器人俱乐部里教孩子们设计格斗机器人，然后参加机器人格斗比赛。赛场上，交战双方相互推拉，谁掉出边线谁就算输。VEX ClawBot曾是我们的设计参考（图10）。

孩子们设计的机器人同ClawBot差不多，其机器手只有一个运动方向，要么是水平的（如图10所示），要么是垂直的，而不像图11中的机器手那样可以旋转。而且，孩子们往往直接把机器装到机器人身上，而不考虑机器手的升降问题。

我们把组装好的机器人放到场地上试了试，看看它能不能定位并攻击对手，机器手的开合正常不正常。孩子们很快发现，只有一个运动方向的机器手（特别是还不能升降的话）基本上无力发起有效攻击。他们这才认识到，合适的机器臂（特别是能多向旋转的）对于机器手来说是致关重要的。

图10　VEX ClawBot

图11　VEX Claw套装，带有孤度的平行式机器手

神奇的人类手臂和躯干

或许你已经试过做瓦肯举手礼的手势了，可见我们的手确实很灵活吧。再试着动动你的手臂吧。你会发现，我们的肩膀能前后旋转180度，这比绝大多数机器人灵活多了。而且，它还能向外转动90度。再试着动动胳膊肘，它的前后摆幅度可达150度，还能作90度旋转。我们的手腕也能做出远比机器手多的姿势。我们的两根腕骨（桡骨和尺骨）控制手腕和手掌的90度旋转，不会像机械手柄那样笨拙。

我们的手腕可以顺两个方向转动，上下90度，左右45度。凭借手臂多达7个的转动角度，人手的活动能力比机器手强多了。

可能你会认为，把一个像人手一样复杂的机器手装到具有9个转动角度的机器臂上，它就能拥有如同人手一样的能力了。但事实并非如此。机器臂是怎么移动机器手到指定位置的呢？是依靠复杂的连续路径程序和算法。机器人可以把物体从A处移到B处，在此过程中，它只需要移动机器臂，而不需要移动身体，也不需要移动待装配的对象，例如汽车。数十年来，算法和程序一直是工业机器人的有机组成部分之一。

我再举一个例子。试想一下，在一个午夜，你突然觉得脚脖子有点痒。尽管这时你正处在半醒半睡之中，但是你基本上会熟练地把手伸进被窝，挠到那个痒的地方，而这对你来说稀松平常，不需要花什么特别的功夫。就算第一次没挠准，稍微摸索一下也就摸到了。难道你脑袋里装着两条“连续路径程序”吗？当然不是。你只是对自己的身体已经非常熟悉了，一切都是水到渠成的。

人机对比

请别误会，上文并不是在讲人体生理课，我只想试着比

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