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  • 從車間走到服務,美國40年的機器人發展之路

    行業資訊 | 時間: 2020-05-11 | 中國機器人網 劉眾楷 | 編譯:阿芬|瀏覽量:9521234

      近年來美國波士頓動力機器人在國際社會頻頻出彩,這背后離不開美國的機器人研究和創新支持。那美國是如何一步步實現機器人研究與創新的?這不得不說到美國國家科學基金會(NSF)。
     
      NSF是美國獨立的聯邦機構,建立初衷旨在促進美國的科學進步,自國家科學基金會(NSF)成立以來,曾針對性對計算機和工程基礎研究進行了支持,目前已經使計算機科學在美國得以長足發展,NSF的支持方向一度成為美國資本追逐的寵兒。機器人行業是NSF自計算機以來再一個看好的新產業動能,但其發展經歷了非常長的過程。
     
      在機器人行業,盡管美國在傳感器,機器運動和計算機視覺方面進行了前置性早期投資,但直到1972年才算是美國真正意義上資助了第一筆明確帶有“機器人”頭銜的資助,這筆項目贊助達$ 39,300。當時這筆錢直接分配給到了德克薩斯大學奧斯汀分校的Laurent Siklossy,以進行機器人相關的實踐問題解決,定理證明,新定理發現和機器人方向的指導以及探索。

      1970年代:工廠車間機器人
     
      到了在20世紀70年代中期,NSF把目光真正轉向機器人,并逐漸開始在機器人技術發力。被歸類為機器人技術的第一個研究項目是機械臂(如下圖所示),該機械臂可以從包裝箱中取出零件并進行視覺識別,并能對其進行正確重定向,為了方便在裝配線上進行下一步操作,計算機控制的焊接機器人也同時被研發。這些由NSF資助的機器人項目旨在提高美國制造工藝的生產率,這一目標一直持續到今天,無數的商業公司為之在努力。
     
      (由斯坦福研究所開發的這種機械臂圖像類似于1976年NSF年度報告中出現的圖像。機器人系統使用計算機視覺來識別和決策裝配線上的零件。這是那個時代旨在提高美國制造工藝生產率的幾個項目之一。圖片來源:SRI International)
     
      1980年代:步行機的興起
     
      1980年代,NSF資助開始變多,同時在方向上,正在探索的機器人類型和使用方式日益呈現多樣化。在俄亥俄州立大學,電氣工程師Robert McGhee和機械工程師Kenneth Waldron以及一支由60名成員組成的學生和技術助理團隊,在美國國家科學基金會(NSF)和高級國防部的支持下,開發了自適應汽車懸掛機器人(ASV),被項目研究局(DARPA)稱為“Walker”。
     
      這個綽號“Walker”俄亥俄州立大學的自適應車輛懸架機器人(AVS),由電氣工程師Robert McGhee和機械工程師Kenneth Waldron以及一支由60名成員組成的學生和技術助理團隊共同開發,“ Walker”設計用于在崎嶇,多山,冰冷或泥濘的地形上運輸工業和軍事用途的貨物。
     

    (Walker,圖片來源:俄亥俄州立大學檔案館)
     
      ASV長17英尺,寬8英尺,高10.5英尺,并有6條支腳支撐其三噸重的鋁制車身。它旨在在崎嶇、多山,冰冷或泥濘的地形上運輸工業和軍事用途的貨物,并且能夠穿越9英尺寬的溝渠或7英尺高的墻。
     
      Walker使用前置雷達系統掃描前方地形,并將數據以及操作員操縱桿上的指令輸入到16臺車載計算機中,這些計算機協調并控制了ASV的腿部。電腦分別使每條腿上下,向前和向后移動,并且離ASV身體更近或更遠,以實現笨拙但可維修的騎行。

      1990年代:機器人探索新環境
     
      不久之后,在NSF的支持下,研究人員開始開發一種針對非常不同的環境的機器人,水下環境得到了優先考慮。全向智能導航器(ODIN)就在這個時代應運而生,其于1991年首次制造,是一種球形的自主水下機器人,能夠在所有六個方向上進行瞬時運動。
     
      項目最初是作為實現遠程操作機器人目的而立的,1995年將其升級為自動水下機器人ODIN II。直到如今,由美國國家科學基金會(NSF)資助開發的后繼機器人哨兵(Sentry)還在深海中尋找和量化熱液通量。
     

    (ODIN,圖源:夏威夷大學自治系統實驗室)
     
      在1990年代,機器人專家開始將注意力轉移到機器人可以協助的日常任務上。例如,在匹茲堡大學,密歇根大學和卡內基梅隆大學的研究人員就嘗試開發了一系列移動式個人服務機器人,這些研究方向得到了贊助,例如Nursebot就在當時誕生,其最初的目的是幫助老年人日常生活。
     
      這個“生活”在一個慢性病老人家中的自動移動機器人可以提醒其主人吃藥,與醫生進行視頻會議,收集患者數據或注意事故,為關節炎患者操縱物體以及提供一些社交互動。多年來,以這個機器人初衷為原型,后續的新版本不斷發展,預計通用電氣開發的醫院機器人將于目前也逐漸在退伍軍人事務醫院進行測試。
     

    (Nursebot,圖片提供:卡內基梅隆大學)
     
      研究人員一直在設想機器人將在災難恢復和搜索救援中發揮普遍作用的未來,但是直到美國9/11發生后才廣泛使用這種類型的機器人。
     
      機器人專家羅賓·墨菲(Robin Murphy),當時是南佛羅里達大學(University of South Florida)計算機科學副教授,他在世貿中心倒塌后的第二天早上到達現場。她帶來了一個響應團隊,其中包括三個研究生-珍·卡斯珀(Jenn Casper),馬克·米切爾(Mark Micire)和布萊恩·明滕(Brian Minten)–以及有軟件指導的“有袋動物”機器人系統。這些智能的匿名“有袋”機器人在瓦礫中特別有用,因為“母親”機器人釋放了較小的機器人來探索其他方式無法到達的狹窄空間。墨菲對用于城市救援行動的實驗性混合啟動機器人的研究最初由NSF資助。
     
      9月12日至23日,由美國國家科學基金會(National Science Foundation)資助的研究人員協助了世界貿易中心(World Trade Center)的恢復工作。南佛羅里達大學工程學教授羅賓·墨菲(Robin Murphy)和三名研究生帶著六個城市搜索和救援機器人在紐約“歸零”,以幫助找到幸存者。墨菲為期11天的任務是一個較大團隊的一部分,該團隊回收了6名受害者的遺體。
     
      墨菲的機器人獨特之處在于它們的體積小,可以在非常狹窄的情況下進行機動。這些機器人被束縛在一起,并配有前燈和攝像頭,為救援任務帶來了明顯的優勢,就像世界貿易中心襲擊的規模一樣,在那次襲擊中,破壞是巨大的,而且恢復非常危險。盡管它們的價格在10,000至40,000美元之間, 墨菲預言,搜救機器人將成為美國消防部門的標準裝備。
     

    (全美國消防部門的標準裝備。圖源:FEMA)
     
      在接下來的11天中,應聯邦緊急事務管理局(FEMA)工作隊或部門負責人的要求,小組將五次插入瓦礫堆中。墨菲(Murphy)的機器人所搜索范圍達100英尺,遠遠超過了消防部門的7英尺相機棒。在這樣做的過程中,他們幫助找到了五名受害者和另一套遺體,盡管墨菲對自己沒有再成功表示遺憾。

      2000年代:小型化和移動性
     
      隨著2000年代的發展,工程師努力使組件小型化,導致機器人的體積大大小于以前的機器人。RoboBee項目就是這種趨勢的一個令人震驚的例子,該項目于2009年獲得了NSF計算機與信息科學與工程局頒發的“計算遠征獎”。
     
      這次探險的研究人員正在創造能夠自動飛行的蜜蜂,并像真正的蜜蜂一樣協調它們與蜂巢之間的活動。該研究小組旨在推動對緊湊型高能電源,超低功耗計算以及多智能體系統分布式算法設計的研究。最近,RoboBees在致力于其復雜設計的展覽中為波士頓科學博物館的年輕人授獎。
     
      (受到蒼蠅生物學的啟發,它具有亞毫米級的解剖結構和兩個極薄的機翼,幾乎每秒不可見地擺動,每秒120次,Robobee進行了首次受控飛行。RoboBees經過十年的努力,達到了垂直起飛,懸停和轉向的目的。圖片來源:Kevin Ma和Pakpong Chirarattananon)

      2010年代:投資合作機器人
     
      2011年6月,美國政府啟動了國家機器人計劃(NRI),以開發可與人類一起或在人類旁邊工作的機器人,以利用人類和機器人的不同優勢來擴展或增強人類的能力,這為機器人技術研究提供了重點和資金。
     
      NRI由NSF領導,并得到多個機構的支持,包括國家航空航天局(NASA),美國國立衛生研究院(NIH),美國農業部(USDA)和美國國防部(DOD)。自2011年以來,NSF及其在NRI的合作伙伴已在機器人技術研究上投入了超過1.2億美元,同時,專業的機器人商業研究機構和專利代理機構開始出現,其中世界最為著名的機器人公司波士頓動力最開始就是國防部機器人商業化計劃的一個分支。
      如今,機器人以多種方式影響著我們的生活。機器人正在全國各地的教室中使用,以捕捉學生的興奮并幫助他們學習STEM(和非STEM)原理。他們正在幫助醫生進行手術,為殘障人士提供幫助,并檢查橋梁和道路以確保我們的安全。
     
      美國國家科學基金會前歷史學家馬克·羅滕伯格說:“曾經僅限于科幻小說領域的機器人,如今已成為一種變革性技術,證明了美國國家科學基金會資助的基礎研究如何帶來人類生活的變化。”
     
      盡管機器人可能是新興的研究領域,但當今機器人的許多基礎都始于基礎研究,涉及傳感,計算機視覺,人工智能,機械工程和許多其他領域,有些領域可能不會立即被認為與機器人有關。

      下一步是什么
     
      科學創新是一個種子,由NSF支持的研究人員在機器人技術方面取得了令人難以置信的進步,他們創造了新一代的協作機器人,該機器人可以處理與人類接近的關鍵任務,并且比以前的智能機器具有更大的安全性和柔性。
     


     
      甚至目前人類也有了第一個人造機器人生物xenobots,在未來,和人類一樣的機器人或許再也不是一個夢。

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