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作者：美国SERVO杂志著

出版社：人民邮电出版社

出版时间：2017-05-01

书籍编号：30358452

ISBN：9787115451767

正文语种：中文

字数：241068

版次：1

所属分类：互联网+-人工智能

版权信息

书名：机器人爱好者（第3辑）

作者：美国SERVO杂志

ISBN：9787115451767

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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，分为5章。第1章介绍了机器人的历史、发展状态以及前景，特别关注了ARPA机器人挑战赛、机器人对人类的挑战、机器人开发的难点以及自动驾驶技术的发展。第2章是新款机器人的产品实测，介绍了ALAN机器人和国产的e-dog机器人等。第3章是专栏文章，详细介绍了用PICAXE处理器和BASIC编程来实现各种机器人。第4章是机器人DIY，包括机器人伺服的相关文章，以及机器人大脑的构建文章。第5章是全球机器人领域最新的研究动态和资讯。

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。

我们能从“ARPA机器人挑战”中学到什么

Tom Carroll 撰文　雍琦 翻译

2015年6月5日至6日，DARPA机器人挑战赛（DRC）决赛在美国加州洛杉矶波莫纳市的波莫纳展览中心举行。Thomas Messerschmidt此前曾撰文报道了此次比赛。我以前的文章也介绍了“前DRC”时代的某些情形，重点是DARPA挑战赛的历史。现在，规则已经变了，而DARPA机器人挑战赛已成为（用他们的话来说）历史。

我饶有兴味地读了关于最近一次DARPA机器人挑战赛的大量报道。有不少参赛者取得的成果简直令人吃惊。当然，另一些参赛者的失败也是免不了的。

不论对于专业人士还是普通大众来说，比赛都是极其精彩的。有意思的机器人太多了，有的来自学校，有的来自专业的机器人制造团队，它们共同营造出一种让人不虚此行的参观体验。关于决赛的新闻报导，占据了科技类新闻6月份里的头条——不论是正面还是负面的。

如果说有什么事让我失望的话，就是那些带有负面倾向的文章和报导。是的，确实有不少机器人在走出运输车或横越模拟碎石路时摔倒。于是，有人就形容步行机器人就像“小孩走路那样跌跌撞撞”。

是有不少参赛机器人摔倒了，有的还摔过不止一次，但经过修理，它们大多数仍能正常参加比赛。参赛选手及其团队为自己的机器人骄傲不已，哪怕它身上确实存在一些问题。

有些记者还有意强化悲剧。在德国大众汽车的车间里，有一个机器人装配工因为意外事故而身亡。我真想问问关心这件事的普通大众，还有媒体，你们对机器人和机器人挑战赛的复杂性懂得多少？或者，你们知不知道机器人技术已经取得的任何进步？

美国国防部高级研究计划局（DARPA）是在2012年提出设立机器人挑战赛（DRC）的想法的，就在不久前，他们成功举办了自动驾驶大奖赛。实际上，2011年发生在日本的福岛核事故，促成了机器人挑战赛的设立。

有时候，救灾现场对于救援人员来说太过危险，这就需要借助机器人进入现场，帮助救援。这也是设立机器人挑战赛的初衷。福岛核事故救援中就已经使用了机器人，但人们也明显意识到，还需要有更妥善的机器人解决方案，用于清理污染物。

早期的DARPA大奖赛

在深入介绍最近的DRC比赛之前，让我们首先回顾一下20世纪五六十年代的太空竞赛。就在肯尼迪总统宣布美国将在20世纪60年代末登上月球之后，发射火箭折戟沙场了。

如果你在数月前亲眼目睹了火箭爆炸事故，你会愿意坐着经过改造的火箭驶向太空吗？

那时，水星计划和双子星计划已经成功实施。尽管如此，阿波罗8号的宇航员Bill Anders后来向我透露，他1968年第一次驾驶土星5号和阿波罗飞船进行的登月之旅，实际上隐藏着巨大的危险。

当时，有很多经验丰富的NASA工作人员认为Bill他们三个很可能没法活着回来，这次行动充其量只是对世人的炫耀。

美国政府还是下决心一试身手。就在第二年，我们成功地将二名宇航员送上月球，这是航天技术的巨大胜利。自1972年以来，美国航空43年间未遇敌手。科技进步，一路向前。

接下来，我们再来回顾一下最早的DARPA大奖赛。2004年3月，DARPA在加州的巴斯托市（Barstow）设计了一条169公里的越野赛赛道，邀请15个团队带着他们的自动驾驶汽车参加比赛。

获胜者将获得100万美元的奖金。但是，参赛汽车能够行驶的最远距离只有1.6公里。图1中卡内基梅隆大学的红队汽车行驶了最远的距离，但仍没有获奖。有些人认为这场赛事是以失败告终的。

图1　卡内基梅隆大学的红队，在2004年的DARPA大奖赛中开出了最远的路程

好在DARPA的领导说服了美国政府，得以继续举办比赛。第二次比赛于2005年10月在加州、内华达州交界地区举办，有5辆参赛车辆完成了全程约220公里的比赛。

第5名——来自Oshkosh卡车公司的名为TerraMax的巨形卡车——总共用了12小时（包括晚上休息时间）完成比赛，用时超过了比赛限定。获胜者是来自斯坦福大学团队的汽车（图2），总共用时6小时54分钟。

图2　斯坦福大学的参赛车赢得了2005年的DARPA大奖赛

看到了吧，相对第一次比赛来说，第二次比赛取得了巨大的进步！我们从中学到了很多无人驾驶的相关知识。

两年以后的2007年，DARPA举办了第三次无人驾驶大奖赛，这次的场地是一条96公里长的封闭赛道，地点位于加州胜利谷的前乔治空军基地。参赛者需要在6小时内完成比赛，而且要遵守驾驶规范和交通规则，不仅要能躲避障碍物，还要会避开突然并道的其他汽车。

卡内基梅隆大学的参赛汽车Tartan（图3）赢得了比赛，用时4小时10分钟。这辆参赛汽车是基于雪弗兰塔荷改装的。

图3　卡内基梅隆大学的Tartan拉力赛车赢得2007年城市挑战赛

先前的比赛里，总有汽车会冲撞护栏，摔出赛道。如今，参赛汽车不仅外形靓丽，而且能顺利穿越模拟城市道路的赛道。不得不说，这又是一个巨大进步。

这些DARPA举办的早期比赛，印证了一句老古话，“锲而不舍”，总会成功。

DARPA机器人挑战赛只是个开始

DARPA举办的系列比赛——从自动驾驶比赛到机器人比赛——可以说是政府部门的精明举措。

与其花大把的钱给仅仅是“可能”开发出新产品的投标公司，还不如以特定技术为目标，组织高质量的比赛，从中选取技术方案。这正是DARPA使用的办法。

比赛中的获胜者，可以拿着数百万美元“一走了之”，而DARPA则以相对来说极其低廉的价格，获取了技术专利。这是一种双赢。

有鉴于日本核事故及其贻留的环境灾难，DARPA举办了DRC比赛，希望组织世界各地的天才团队，让他们参与到友好的竞赛中来，目的是开发出一种可以进入类似福岛核事故现场，并帮助人类清理环境灾害的机器人。

福岛核事故灾难

现在，我们来看看激发DARPA做出决定的2011年日本地震，看看它究竟造成了的什么样的灾难。2011年3月11日，日本发生了大地震，其震级强度和破坏程度，堪称有记录以来最严重的一次。日本可以说是世界最重视地震和海啸的国家，但这次地震仍让他们措手不及。

当天下午2:46，福岛县遭遇了里氏9.0级地震。地震及其引发的海啸，造成18 500人遇难，48 8000人暂时或永久性地失去了他们的住房。

这次地震造成了重大的生命损失，幸存者也往往无家可归。但情况比这还要严重得多，地震破坏了附近的核电站，核污染最难清理，恢复过程同样很艰难。核反应堆的冷却装置在地震中失效，海水倒灌进核电站，破坏了备用发电机，强烈的核辐射使得救援人员无法进入核电厂。我在2011年6月份发表的文章，只是描述了整个灾难的冰山一角。

DRC比赛的规则和任务

DARPA基本上要求参赛机器人是人形双足机器人，这一点具有充足理由。绝大多数建筑物，都是为适应双足行走而设计建造的。同样，汽车、楼梯、门廊、门把手、阀门把手、电器开关、手持式电动工具以及其他类似的东西，也都是为符合人体形状、便于人类操作而设计的。

下面列出了2015年DRC比赛的8项任务，每个任务计一分。

1．进入汽车，并按路线驶出一段距离。图4是一辆北极星游侠ATV全地形汽车，在测试赛中使用的也是这种车，不过为了适应身形较高的机器人，移除了翻车保护杆。有的团队选择让机器人自己走过比赛要求的路程，而不是驾驶汽车。

图4　Trooper团队的Atlas机器人坐在副驾驶座位上驾驶汽车

2．离开汽车（从汽车里走出来）。对有的机器人来说，做到这一点是很困难的。

3．打开建筑的大门，再走过一扇开着的门。门是朝内开的（与机器人行进方向一致），没有门槛。一旦完全打开，它就不会自己关上。如图5所示，有的机器人身形较大，要侧着身子才过得去。原设计了3种门。

图5　卡内基梅隆大学的Warner机器人，它得侧过身体才能进门

4．打开阀门（属于测试赛中的3种阀门之一）。DARPA使用的是直径20厘米的圆形阀门。阀门要以逆时针方向转动。

5．使用装配回旋刀的“钻机”在石膏墙板上割出一个洞。墙上画有一个圆形，直径同样大约是20厘米。必须要把这个洞挖透，洞内不能遗留任何建筑材料，但又要避开这个小洞之外的另一个较大的圆形。

6．决赛中出现了一个之前没有的、让人大吃一惊的任务。这项任务考验的是操作能力，而不是移动能力。这个“惊喜”就是，拔出插头，插到另一个插座上。这个任务对于机器人来说，可不像人类想的那样简单。插头的方向必需正确，而且要对准插座——有时候这对人类来说也是稍有难度的。

7．穿越碎石路。这项任务同测试赛时一样，有时要搬开布满一地的碎碴（断裂的管道和板材），有时要绕过随机放置的水泥块。很多机器人在高低不平的路面上摔倒，或者在经过水泥块时被碰倒。第7项任务本来设计为给消防栓安上水管。

8．爬上一段楼梯（台阶数和坡度都比测试赛中小）。楼梯只在左侧有扶栏。

如果机器人摔倒，或者需要手动调整，就要被罚10分钟的赛时。机器人有时可以调整自己，继续前进，但大多机器人跌倒时都需要人类的帮助。如果机器人无法完成某项任务，也要被罚10分钟，而且得“重启”为初始状态。

我敢说，大多数正常的成年人面对这样的比赛场景，只需要几分钟就能完成所有任务。但这不是比赛的重点。想想看，你被扔在充满核辐射的灾难现场，周围全是不稳定的化学物质和其他危险，该怎么办？赶快派出机器人吧！

美国和其他一些国家都向福岛核事故现场派出了履带式机器人，而且取得了一些成绩。日本在灾后迅速制造出来的机器人，也在救灾中派上了用场。不过，很多政府官员仍然认为，事故现场最需要的是人形机器人，它们需要有灵活熟练的机械手和臂膀，还要能够快速攀爬和穿越布满碎碴的路面。

DRC比赛的参赛机器人

下面的图表展示了参加DRC比赛的机器人，种类繁多，功能各异。其中有6个团队，使用DARPA现成的、价值百万美元的增强型Atlas机器人作为参赛机器人。

Atlas机器人的初始版本使用系绳作为外部动力。理由是：大型机器人容易消耗能量——大量的能量——而且系绳也有安全带的作用，可以防止机器人在测试时摔到地面。DRC参赛机器人都在其内部安装有很重的电池包，这对于保持行进平衡来说是一大不利因素。

Atlas机器人是由著名的波士顿动力公司制造的。表现让人惊叹的“大狗”就是由这家公司制造的，他们还设计制造了其他多种军用机器人。Atlas机器人高约1.83米，重约149～181千克，全身有多达28个液压关节，其原型是PETMAN机器人。

MIT的计算机科学和人工智能实验室为Atlas机器人设计软件，这是他们设计的第6个机器人软件，全部代码多达65万行。波士顿动力公司长久以来在机器人的动力平衡和行进控制方面，在世界范围内占据领先地位。

其他的参赛机器人均由各自团队自行设计制造。比如图6中正在进门的HUBO KAIST机器人，就是200万美元奖金的得主，它比赛用时44:28，得到了满分8分。图7中的机器人，设计堪称绝妙，它的膝盖和脚上都装有轮子，与其说它是行走式的，不如说是滚轮式的。图8展示的是KAIST HUBO机器人正在操作阀门。看它的姿势好像膝盖可以正反两面弯曲，其实不是，而是它的腰部可以旋转。它高1.8米，重79千克，基本上同一个成人的身高和体重差不多。KAIST这种人形双足机器人是从HUBO机器人发展而来的，如图9所示。HUBO不像本田公司的阿西莫（Asimo）机器人那样出名，但它全身没有一处是多余的。

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