‧ 2015 年，機器人界發生了哪些神奇瘋狂的故事？（上）

leiphone 沐陽浸月

【編者按】本文作者@沐陽浸月，中國中科院自動化所複雜系統國家重點實驗室研究生，主攻機器人與人工智慧。

2015年對於機器人來說是十分重要的一年，不管是在機器人種類的來說，還是在機器人的控制演算法來說，都有十分舉足輕重的進步和跨越，現在我們就來盤點一下今年這些神奇與瘋狂的機器人吧。上篇我們將著重講述2015年那些比較大型的機器人們。

1、MegaBots II與Kuratas的巨型之戰

也許今年在機器人界最重要的一個頭版頭條，應該就是兩台巨型機器人的大對決了，其實與其說是對決，更準確的說法應該叫約戰。

去年8月末，來自美國的MegaBots公司，完成了他們的巨型載人機器人（載人機器人準確的說法應該叫機甲，更偏向於鋼鐵人那種，機器人則是更偏向於變形金剛那種，但是目前機甲與機器人區分並不十分明顯，所以機甲也被歸入機器人的行列之中）。

由於日本製造出了世界首款也是唯一只戰鬥機器人，所以這次傲嬌的美國人不幹了。 MegaBots已向日本水道橋重工遞交請戰書，約定在一年後讓旗下MegaBots II 載人機器人與水道橋重工旗下的Kuratas載人機器人來一場世紀決戰。

MegaBots公司表示：“水道橋你們聽好了！你們有巨型機器人，我們也有巨型機器人，既然都是巨型機器人，怎麼也得分出個勝負，成王敗寇，我們一決雌雄！”於是世界的目光都投向了日本，人們期待日本會有什麼樣的反應，是積極應戰還是悶聲退縮。

（美國的宣戰影片截圖）

機器人打架，這可是只是在類似「鋼鐵擂台」電影中才能出現的畫面，而且這還牽涉到一個國家的顏面，反映了一個國家最高端科技的水準，所以水道橋重工作出回應：我們應戰！然後網路就都沸騰了……

( 日本接受挑戰影片截圖）

先放下對決不說，我們先看下雙方的實力和配置都是怎麼樣的。

經過大概3個月的時間， MegaBot在美國波士頓創客空間Artisan's Asylum完成了機器人的初步形態構建與裝配。Stroup是主要的建設者，Cavalcanti擔任設計師，Matt Oehrlein擔任電氣工程師，處理的電子設備和代碼程式設計。

第一個原型，將焊接鋼板蓋在雕刻泡沫上，整個樣機就像是一架未完成的拖車。

經過對第一版的再加工，它的更新版本的樣機高15英尺，12000英鎊重，由汽油驅動，運動方式為胎面滾動，前進速度可以達到3英里每小時。

這個第二架原型機，即準備參加應戰的MegaBots II，可以搭載兩個人：一個操作員控制定向運動，另一個操作員充當炮手，使機器人的軀幹瞄準目標，並用臂式武器對目標開火。

這個臂式武器包含，可以發射3磅重彩彈的氣動加農炮，和一個可以一次性連續發射20枚小彩彈發射器構成，子彈初速可達 160 千米每小時。如果MegaBots II的一支手臂脫落，另一隻仍然可以繼續戰鬥。

而且，當得知日本水道橋重工的應戰之後，MegaBots公司在Kickstarter發起了一項50萬美元的眾籌，來把MegaBots II完善的更加狂野和殘暴，以應對即將來臨的與Kuratas的巔峰對決。

我們再來看看水道橋重工的Kuratas。

Kuratas機器人是一款可四足駕駛的機器人，有13英尺高，8000英鎊重，靠柴油驅動，四輪前進，因為其是一台戰鬥機器人，所以裝備了雙管加特林油漆彈發射器，配有先進的瞄準系統以及平視顯示器。在其首次展示時，雙手還可配置格林機炮，機體設計充滿真實系的厚重魄力。

可以說，Kuratas機器人確實滿足了很多男人希望像小時候機器人動畫片中的主角那樣，駕駛一個超大機器人來一場酣暢淋漓的戰鬥的夢想，雖然貴了點（價 1 億 2000 萬日元），但全世界的機器控都已經被強烈征服了。

（水道橋重工製作的如何駕駛Kuratas機器人的影片）

因為雙方都要為戰鬥進行各方面的準備，預計明年這場戰鬥會開戰，但我認為這場戰鬥其實更多是一種噱頭。這場戰役有可能發生，但是就目前的機械和技術水準，這場戰鬥很可能是這樣的：兩台機器人架勢已經擺好，一聲刺耳的哨音劃破寂靜，戰爭一觸即發，只見MegaBots II一個彩蛋直接命中Kuratas一根裸露的電線，只見Kuratas立馬動彈不得，於是Game Over。比賽耗時30秒。

雖然這樣的場景可能有點極端，但是我想說的是，目前的機器人系統是一個極其複雜的機電一體化的系統，可以毫不誇張地說，只要一個小小的故障點就能導致機器人“殘廢”。

也就是說，如果一個機器人在一場戰役中的開場60秒擊中另一台機器人的一個“弱點”，那麼比賽結束。

我相信做過機器人的工作者對這一點也一定十分瞭解，可能很多人都快被折磨得身心俱疲了。而且我認為一個機器人開發人員在開發機器人的過程中，為了掩護住所有“弱點”也許就得花上一年甚至是三年左右的時間。

那麼，因為這一點我們就不要讓這樣的比賽發生了嗎，我覺得不是。我反而覺得這樣的比賽更應該舉辦得多一些。通過MegaBots II與Kuratas的這場“約架” ，我們可以看到，更多的人對機器人有了關注，甚至產生了熱情，所以讓機器人成為流行文化的一部分對機器人技術的發展是大有裨益的。

2、 ATLAS

這款機器人由著名的機器人公司波士頓動力出品，之前他的大狗機器人已經令我們大吃一驚，因為這款機器人可以毫無壓力地行走在各種複雜的地形之上，甚至可以承受的住人類的一個迴旋踢。ATLAS這款機器人則沿襲了大狗的製作水準，不過不同的是，這款機器人採用的是和人類一樣的兩足行進模式，所以它和你走在森林裡面，你會更加覺得恐怖。

今年年初，為了參加六月初的DAPPA機器人挑戰賽，ATLAS完成了自己的一次進化。此次變身，ATLAS全身的百分之七十五都被重新設計了，只有小腿和腳沿用了上一版的設計，新的設計使得它變得更加強壯、快速、安靜，並且得益於其身後的電池大背包，它已經脫離了電纜的束縛。

得益於全身升級後的各項組件，新改進的ATLAS比原來的版本身材更加纖細，體型也更小，更加有效的機載液壓泵，也使得ATLAS機器人在移動速度上更加迅猛。這樣改進的目的，也是使ATLAS機器人更容易完成一些挑戰，例如要求它擠入專為人類設計的空間。

這一點非常重要，因為機器人的一個設計初衷就是去完成那些對於人類來說十分不安全的工作的。我相信波士頓動力在穀歌的協助和資助下，ATLAS一定會在未來的幾年以驚人的速度進一步完善。

3、 MIT的Cheetah機器人

MIT的Cheetah機器人我在之前的專欄文章《機器人界那些另類的朋友們，是怎麼誕生的？》已經有所介紹，MIT的Cheetah機器人擁有高速奔跑的能力和良好的平衡性。通過實驗，其可以在8.3千米每小時的速度下奔跑兩個多小時，或者背負3千克的電池跑10千米。

今年，Cheetah機器人在性能上又有了一個質的飛躍，那就是它可以在不間斷步伐的情況下，不論有多少個18英尺高的障礙物，它都可以輕鬆越過。而這次的提升也主要是因為Cheetah機器人具備了視覺系統，下面我來說說他是怎麼完成越障這項比較有難度的動作的。

Cheetah機器人可以“看見”的能力，主要得益於其使用的機載雷射雷達，這套視覺化系統使用反射雷射來繪製地形。

基於雷達資料，該團隊開發了一個三部分組成的演算法來規劃出機器人的路徑。無論是視覺系統和路徑規劃系統都是嵌入到機器人的本體裡面的，以使得它具有完整的自主控制能力。

該演算法的第一個部分，能夠使機器人檢測到障礙物，並估計其大小和距離。研究人員設計出一個公式來簡化出一個視覺場景，其將地面表示為直線，而任何障礙物均是從這條直線偏離出的一條岔路。利用此公式，機器人可以估算出障礙物的高度和以及到其本身的距離。

一旦機器人檢測到一個障礙物，該演算法便進入其第二個部分，以使機器人在接近障礙物的過程中調節它的步態。根據障礙物的距離，演算法可以預測出以跳躍的最佳位置，前腿離地，然後後腿跟著完成越障的剩餘步伐，加速，然後到達最佳的落地點步伐放緩，最終安全地越過它。該“步態調整演算法”一直在高速運行，每走一步都要對機器人的步幅進行優化。優化過程大約需要100毫秒來完成，這也大約是完成一個單步幅一半的時間。

當機器人到達落地點，該演算法的第三部分接管，以確定它的跳躍軌跡。根據障礙物的高度，機器人的速度，研究人員提出了一個公式來確定機器人的電動機應當施加的力的大小，以使得Cheetah機器人可以安全地越過障礙物。

但是有趣的是，研發人員說，這個演算法並不是最優的，只是一個可行的方法。研究人員指出，如果你想優化，比如說能源效率，你會希望機器人幾乎沒有越過的的障礙，這顯然就成了悖論。而且找到一個真正的最佳解決方案需要佔用大量的計算時間，在運行時，我們不希望花費大量的時間去尋找一個更好的解決方案。我們只是想一個是可行的。

研究小組首先在跑步機上測試了Cheetah機器人的彈跳力，然後在軌道上。在跑步機上，機器人被拴在一個地方，研究人員將不同高度的障礙放在皮帶上。跑步機本身只有約4米長，機器人在中間運行，所以Cheetah機器人只有1米的距離以檢測障礙物並規劃出其跳躍動作。多次運行後，Cheetah機器人成功越過了70％左右障礙物。

相比較而言，在室內軌道試驗就要容易得多，因為機器人有更多的空間和時間，看到障礙物並規劃跳躍動作。在這些試驗中，Cheetah機器人成功越過了90％左右障礙物。

4、 MH24揮刀機器人

不知道大家還記不記得今年6月份的時候，火爆朋友圈的一段機器人和日本武士比試刀法的影片。接下來我們就來說一說這款揮刀技法精湛的機器人。

（MH24揮刀斬花影片截圖，額，花花都不放過）

今年夏天，為了紀念公司成立百周年，日本安川電機組織了一場自家的工業機器人Motoman-MH24與劍道高手町井勳的終極“揮刀斬”對決，對各種道具進行劈砍。

說起町井勳，他可是連創多項世界紀錄的居合道（即以“拔刀術"為基礎的武術）名家，曾創下36分5秒刀砍1000卷草席的世界紀錄，對曾斜斬豎放的卷席，最多連砍7刀而令卷席仍然豎立不倒。

最令人歎為觀止的是，他甚至能刀劈高速飛來的BB彈，這種BB彈比棒球小4000倍，發射的初速每小時高達322公里。以一般人的反應，根本不可能跟上如此高的速度，更不用說完成拔刀和揮刀的動作。

這次人機大戰的另一方——Motoman-MH24工業機器人，它除了會揮舞武士刀，還可以駕駛沙灘車，爬樓梯，躲避障礙以及應對其他突發事故。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程式，也可以根據以人工智慧技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工作的工作，例如生產業、建築業，或是危險的工作。

工程師們將町井勳的動作植入“MH24”的記憶晶片裡，使得機器人可以隨即“遺傳”到其精準的動作要領。

“MH24”的劍術十分了得，除了切水果之外，他還能揮刀將一隻在空中翻轉的、時速達128公里的油炸

大蝦切成兩瓣。“MH24”如今已獲得多個劍術方面的世界紀錄。

其實機器人和人類比賽劍術只是一個表像，深層次的技術表現還是在機器人對人類動作的模仿以及完成動作的精準性。

我們從視頻上可以看到，首先MH24會對町井勳的揮劍動作進行模仿，這便涉及到動作捕捉技術。技術涉及尺寸測量、物理空間裡物體的定位及方位測定等方面可以由電腦直接理解處理的資料。在運動物體的關鍵部位設置跟蹤器，由Motion capture系統捕捉跟蹤器位置，再經過電腦處理後得到三維空間座標的資料。

當資料被電腦辨識後，可以應用在動畫製作，步態分析，生物力學，人機工程等領域。這項技術目前主要在各大科幻電影中被廣泛用到，而機器人要想對町井勳的揮劍動作進行模仿就需要獲得他動作的各項資料，這些資料的採集目前主要的方法是慣性導航式動作捕捉，通過慣性導航感測器AHRS（航姿參考系統）、IMU（慣性測量單元）測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。不受環境干擾影響，不怕遮擋。捕捉精確度高，採樣速度高，達到每秒1000次或更高，這些都是慣性導航式動作捕捉的優點。

由於採用高集成晶片、模組，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高，慣導感測器可以佩戴在表演者頭上，或通過17個感測器組成資料服穿戴，通過USB線、藍牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯，分別可以跟蹤頭部、全身動作，即時顯示完整的動作。

（電腦對人動作資料的採集以圖形化的方式展現在電腦上)

另一個就是機器人動作的精准性，而這也是一個機器人重要的指標之一。我們知道，目前機器人的主要應用領域是工業機器人，在機器人對零件的裝配過程中，精準性是必須要具備的。可想而知，機器人要想擰上一個螺絲，可是連位置都找不到，那可是很危險的。我們從影片中可以看到，MH24在切豌豆那麼薄的東西的時候都能一刀斬，可見其精准性是十分優秀的。