未來機器人入門——1：機械結構

本系列將未來機器人的突破點分為6個創新領域：機械結構、硬體、電子、軟體、連通性、控制。將依次介紹這6個類別，並以此預測未來20年的發展。

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入門1：機械結構

機器人的機械結構（底盤、幾何結構、關節）沒有得到足夠的重視，但對機器人設計而言，這是非常重要的一個方面。機器人如何運動、有多重、以及重量是如何分布在整個機械結構上的，解決這些物理學上的問題對與一個機器人設計是否成功至關重要。畢竟，機器人的活動還是有局限的。我們常常會讓馬達超負荷達到其斷裂點。機械手的重量也直接影響了臂軸處可採用的馬達技術。而這反過來也顯著影響了機器人的最終成本。

幾何結構和重量也非常重要，並有一些針對這些問題的專項研究。其中有一項研究稱為被動行走，在我們的祖父母輩那個時代，有一種木頭玩具，不需要電池甚至不需要彈簧作為臨時儲能裝置，就能夠從小斜坡上面往下行走。今天的研究人員已經開發出了一種真人尺寸的機器人機械結構，能夠在沒有任何凈能量消耗的情況下沿著小斜坡往下走。這些先驅們探索重量和力學的邊界，來創造高效節能的機器人。這些機器人爬坡時只需要消耗傳統行走機器人所需的一小部分的能量([McGeer 1990; Omer et al. 2009]_)。

進行機器人機械結構的研究，曾經是一項非常具有挑戰性的工作，因為要實現一個新的設計則需要實驗室配備高端的機械加工和製造設備，包括車床、銑床和焊接設備。但是在過去的5年間，在低成本、快速原型的製造方面發生了一場小小的革命，這得歸功於3D列印技術和激光切割技術的發展。3D印表機通過加熱並沉澱可塑材料的方式，每次循環沉澱一層，可以創造出任何立體形狀。激光切割機能夠將塑料、木製品、甚至是金屬切割成複雜的零件模塊，再將這些模塊組裝成新的機器人框架。現在，每個機器人實驗室在發明出新的形狀後，都有能力在數小時或者數天內製作出原型並進行測試，而且耗費不多、所以在短短一周內就可以做出幾十、甚至幾百個實驗用機器人機體。

過去機器人研究的一個特點是，每個實驗室都塞滿了看起來差不多的機器人，因為研究者們都是從三四家製造商那兒購買機器人，而這些製造商都大批量地生產一模一樣的圓形垃圾桶大小尺寸的機器人。現在，機器人實驗室有了眾多可選擇的機器人方案，甚至是自定製機器人。這種創造性的大爆發類似於寒武紀時代出現的哺乳動物大分化：每個實驗室都有著各式各樣大小不一、重量不等、形狀各異的機器人——而且每個實驗室的機器人「圍欄」看起來都跟鄰近的實驗室完全不同。

在未來十年間，機器人的機械結構，尤其是它在兩個特定領域：高自由度（DOF）機器人和飛行機器人將會受益於這種機器人寒武紀的多樣性大爆發。高自由度機器人有著大量的關節和馬達，這意味著，相比與那些只能簡單地前進後退和轉向的傳統機器人小車，這種機器人能夠以更為精細的方式與物理環境互動。自由度實現了腿和髖關節的自由運動，使得機器人能夠使用樓梯，從而將其活動範圍擴展到我們大部分的生活居所；有了手臂和肩關節，機器人可以操作所有那些我們人類每天都會使用的設備，從電燈開關、冰箱，到洗衣機。更高的自由度意味著會有更多的機械手、尾巴，以及更高的像蛇一樣的靈活度。十年前，機器人能夠像6歲孩子一樣玩單杠。現在，為軍事偵察而設計的蛇形機器人能夠爬進4英寸的縫隙。類人型家庭服務機器人能夠打開冰箱的門，看到裡面的瓶子，挪開周圍的物品，將手伸進去，把啤酒取出來。我們可以很容易地去設想運用機器人去做那些我們人類做不到的事情——從爬樹穿過林冠，到蛇形穿過下水道系統，攀爬任何排雨水管，以及爬行穿過亂石堆對救災現場進行搜索。

在蛇形機器人和其他一些高自由度機器人領域內，重量和馬達強度是最主要的問題，而對於飛行機器人來說，這些問題則更為關鍵。快速的結構模擬、原型製造以及測試對於飛行機器人來說將會是具有顛覆性影響的。只要去逛一下本地的電子市場，你就能看到一些這樣的進展。十年前，一個小型遠程控制直升機就得花上數百美元，並且一次只能飛兩分鐘。而現在，人人都能花上14美元買到並操縱飛行一架手掌大小的直升機。

機器人控制在飛行器上的應用，已經將這種新一代廉價直升機推向了一個全新的高度。視覺系統能夠實時地檢測直升機所在的確切的方位，自動控制系統能夠精確地控制直升機飛行，如控制直升機旋轉上升、急轉彎、穿過兩邊都只留有一英寸間隙的狹窄的垂直缺口。它們可以在壁架上著陸以節省電力，稍後再起飛（Mellinger, Michael, and Kumar 2010）。研究實驗室曾公開過一些視頻，20架機器人直升機在空中盤旋並以緊湊的隊形飛行，甚至動態地改變隊形成對地同步穿過窗戶框（A Swarm of Nano Quadrotors 2012）。現在，這些演示效果還要依賴於天花板上安裝的攝像頭和外部計算機控制，但在不久的將來，這些限制將會不復存在。空氣動力學和控制——機器人的外形、重量分布、機械配置、自動控制——是飛行機器人飛行的關鍵技術，它們會使飛行機器人變得很便宜、機動性更強，並且只依靠很少的電力就能保持滯空。現在我們夢想中的飛行機器人，將隨著先進的3D製造技術，特別是新型塑料和彈性材料的應用而成為現實。我相信機器人的「寒武紀大爆發」現在只是一個開始，其創造性的發展軌跡在規模和形式上都將呈現出急劇上升趨勢。

本文摘錄之我們翻譯的《機器人與未來》（第一財經2015年度特別推薦圖書）

《機器人與未來/機器人探索與實踐系列》([美]I.R.諾巴克什)【摘要 書評 試讀】- 京東圖書

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