让机器人“活”起来:可以!这很迪士尼!|新智造

2016-09-03 10:31:19     作者:杨波      来源:雷锋网

就像其他出自迪士尼之手的产品一样,Jimmy看起来非常魔幻。

新智造按:本文作者 Erico Guizzo,来源IEEE spectrum,由新智造独家编译,未经许可拒绝转载!

迪斯尼有一个的目标:开发一款能与人互动的机器人。就像其他出自迪士尼之手的产品一样,这款叫Jimmy的机器人看起来非常魔幻——试想一下,如果未来迪斯尼乐园里和你打招呼的米老鼠里面藏的不是人而是Jimmy,这该是多酷的一件事情!

其它人形机器人的行动都非常缓慢而呆板,这对于迪斯尼的宏大目标来说是致命的。而Jimmy具备了像生物一样快速移动的能力,且形态还非常优雅。今年早前流传在网上的一段视频显示,Jimmy能向人挥手、跳些简单的舞步、拍打桌面。更为惊人的是,Jimmy可以在离人们很近的地方,与人沟通。在视频中,Jimmy和一个小朋友在玩一种类似于“你拍一我拍一”那样的游戏,在这个过程中,Jimmy甚至轻轻地拍了小朋友的脸颊——这是你在其他人形机器人的交互实验中极少看到的。

当然,Jimmy并不是被施了魔法,它只是具备了让人拍手叫绝的先进的工程技术。Jimmy和一般的人形机器人不同,它不是由笨重的电动机和齿轮驱动的。它引用了迪士尼专家们设计的全新的液压动力系统,这套液压动力系统由一些装了空气和水的管子组成。目前的版本虽然还需要人为控制运动,但是未来设计的版本将实现全面的自动化。

可以!这很流畅!

几年前,我们第一次写到迪士尼的液压动力系统。从那之后,Whitney和其他迪士尼研究团队的同事以及天主教大学和卡内基梅隆大学专家们对这个设计进行了升级改造。

最初的动力系统利用了水和空气。现在,一个升级版的混合动力装置利用了两种流体,传输速度更快。迪士尼研究团队的领军人物、目前在波士顿的东北大学任教机械与工业工程的John P. Whitney说,比起配备了谐波传动器的高杠杆比率伺服系统和无刷电机,这个装置的金属项圈能承载更大的重量。它的兼容性也很高,并且具备反向制动性能,这从本质上看是非常安全的——因此特别适合应用在人形机器人的交互中。

Whitney说,当人们第一次看到Jimmy的时候,大多数人都觉得与它心心相印。“每次听人们描述它的动作很流畅时,我都觉得挺逗的。”

幕后的男人

这款动力系统最大的优势在于,它与其他发动机或是伺服系统不同,你不需要在机器人的四肢内装进完整的系统,所以它们的体积会更小、更轻盈。但同时,它也有一些缺点:就像其他基于流体的系统一样,你需要定期检查它的压强。更重要的是,想要打造一款全自动的机器人,你需要打造能完全代替人工控制的发动机和控制系统。

我们希望能在未来的迪士尼公园见到Jimmy和其他类似的机器人。但我们最希望见证的是,液压动力系统能找到除了娱乐之外的其他应用渠道。尤其是在个人机器人领域。

Whitney表示,这确实是他最想要做出突破的领域:“对人工操作员而言的好处对自动控制而言一样宝贵,而反向制动性能以及传动装置的轻量级性能都是很可贵的特征。”

为了更好地了解Jimmy,我们采访了迪士尼研究团队的领军人物,目前在波士顿的东北大学任教机械与工业工程的John P. Whitney教授。以下是John P. Whitney教授采访实录。

IEEE Spectrum: Jimmy的动力系统与其他的发动机和齿轮系统大相径庭。你们的灵感来源是?

John P. Whitney: 我们最初的想法和MIT研发的WAM臂以及其他基于全电阻的人为互动一样:用一个轻量级高性能的传动装置,安置机器人体内的发动机,而不是当它们被安置到咬合点时,受到来自级联惯性的阻碍。轻量级机械臂可以移动得十分迅速,所以我们可以使用一个更大的低齿轮齿数比发动机,它可以减少即增的摩擦力,并保持一定的反向制动性能。不像固定的电缆传动装置,我们可以通过增加水压线,为系统轻易地增加自由度。大家都想打造出更简单、更便宜的系统,因为轻量级、高齿轮齿数比、低摩擦的变速箱是非常昂贵的。

IEEE Spectrum: 其他系统中用过这种装置吗?

John P. Whitney: 有呀。滚动隔膜在很多没有使用润滑剂的工业制造业、光学台悬挂、机车制动机都使用了大概一个世纪。但是,除了液压调节器中的使用外,几乎所有的使用方法都是气动的。比起水压系统,这些滚动隔膜非常适合在低压环境中使用;而造价更为低廉的制造方法限制了促动器的转动,所以它们不适合在绝大多数工业应用中使用。

我们的贡献是在静水装置中使用这些滚动隔膜(人工或用电动机),而不是用泵和阀。在我们发表于ICRA的最新一篇论文中,我们发现混合空气-水的静水装置会让系统简化更多。

IEEE Spectrum: 你第一次将原型放在一起并顺利运作时,你的感受如何?

John P. Whitney: 当我第一次测试这个系统时,输入和输出的数据完美对应,它快速移动的速度让人瞠目结舌——简直就像在看一面3D的镜子!尽管最初的传动装置非常重,而且在演示中,它只有一个咬合点,但这并不影响性能。

IEEE Spectrum: 从视频中我们看到这个系统非常快。那么,它有什么缺点吗?比如,需要维护?

John P. Whitney: 已经证实的是,这个隔膜非常耐用。尽管理论上经过长时间后,它们会磨损,但是在缺少摩擦的情况下,这强化纤维的疲惫感会被降到最低,这会延长它们的寿命。因为隔膜非常柔软,强化纤维也被固化了,也就是说,它们会“优雅地变老”。

时间久了之后,隔膜内的水会发生少量的蒸腾作用,所以大概一个月内,我们会对传动装置内的水量进行校准。一开始,在系统内装水,并让空气飘散而出是非常困难的,但是在接下来研发的新一代设计的循环装置中,这个问题会得到完美的解决。

IEEE Spectrum: 您还会继续在东北大学进行这个项目的研发吗?

John P. Whitney: 这个项目的研发过程非常激动人心,而且它很有潜力,将会对除了娱乐功能之外的社交机器人研究带来极大的影响。我感兴趣的一个领域是兼容MRI的远程针芯活检,以及其他MR主导的程序(也就是不需要铁和其他金属物质的促动器)。这些应用都非常有趣,尤其是因为他们能够在医师使用3D MR视频的时候,出具实时的反馈。

IEEE Spectrum: 这个系统对遥控而言堪称完美,但是你们有想过用操作器上的发动机使它实现编程全自动吗?

John P. Whitney: 最初的人工设置让我们能够分辨硬件和机械领域的难题以及人工智能方面的挑战中。在人工操作员的指导下,它具备了模仿的功能。由此可见,在未来,高科技AI的性能将会非常强大。

via IEEE spectrum

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