機器人RoboMantis 接管危險作業任務

一臺機器人緩慢而小心翼翼地移動著，在一堆煤渣塊上摸索前進。它那黑色管狀的四肢，每次試探性地邁出一步，通常都要經過深思熟慮。每一次彎腰和扭動都會動用數量異于常人的膝蓋和肘部。盡管它每一次只舉起一條腿，但它的四肢仍可以穩定地協同配合，移動它那無頭的浴盆狀的白色身軀，直到最終爬上煤堆，再走下來去迎接下一個挑戰。

“慢意味著穩，穩意味著快。”美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）機器人團隊負責人布雷特·肯尼迪（Brett Kennedy）說。該團隊曾為2015 年美國國防部高級研究計劃局（DARPA）機器人挑戰賽建造了猿形機器人RoboSimian。該挑戰賽旨在甄選出能夠執行對救援人員來說過于危險的救災應援行動的機器人。“假設你處在一個不會犯錯的環境中”，Brett Kennedy 說，“小心謹慎，絕不出錯，這樣我們就可以更快地執行整個行動任務。”

其他一些參賽機器人，尤其是兩條腿的機器人，紛紛跌倒又掙扎著站起來，而RoboSimian 卻始終穩如泰山。RoboSimian 的后軀及腳踝上裝有4 個輪子；當它未挺直身體并向前滾動時，它也至少有3 條腿用于穩固身驅。“我們沒有給RoboSimian 設計跌倒后站立起來的能力，是因為我們設想不出在哪種情況下它會跌倒。”Brett Kennedy 說。在加利福尼亞州波莫納市舉行的決賽中，RoboSimian 一如既往，從容不迫。它駕駛著一輛車，然后抓住車架跳下車，在瓦礫中清理出一條道路來，隨后在干砌墻上鑿孔，打開幾扇門再穿過去。此外，它還要完成其他挑戰。

在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）機器人挑戰賽上，噴氣推進實驗室（JPL）的工程師們建造的機器人RoboSimian參與角逐。在比賽現場，它必須完成一系列任務，例如，在瓦礫中清理出一條道路、穿過一堆煤渣塊，以及駕駛汽車。甚至在決賽前，整臺RoboSimian機器人就已經具備了獲取一攬子許可的條件

RoboSimian背后的許多技術和專業知識都源于噴氣推進實驗室（JPL）在建造機器人方面的歷史積累，例如，他們為行星運行設計的各式各樣的有肢輪式運貨機器人ATHLETE

RoboSimian 是一臺能在監督下自主運行的機器人。例如，當它在操作人員的幫助下找到一扇門，再辨認出門把手時，它自己會想辦法轉動把手，然后推開或拉開門。“操作人員從來沒打算告訴機器人去移動哪個關節。”Brett Kennedy 說，“這基本上就是個數學問題，機器人在這方面可比人類更擅長。”此外，一個操作員也沒辦法同時操控這么多的關節。RoboSimian的四肢各有7 個關節，每個關節均采用球窩關節，這也給制造和控制帶來了難度：在三維空間的6 個自由度中，每一個都需要設置一個鉸鏈或樞軸關節，再加上一個額外的關節，這樣才能確保手臂活動到不同位置時手的位置保持不變。驅動關節的執行機構包括制動器，其可以讓RoboSimian 長久保持幾種笨拙的姿勢，幫它變得更“有耐心”；也就是說，當機器人需要等待操作員作出決策時，它可以在低功率下保持一種姿勢。同時，每個關節的扭矩和一輛F-150 皮卡的扭矩相同。“這是一個可以做引體向上的機器人。”Brett Kennedy 說，同時他還介紹，RoboSimian 可以用一根手指將自己吊起來。

雖然RoboSimian 沒有頭部，但設計人員在其軀干的一端安裝了3 臺立體攝像機，這讓它看起來擁有了一張面孔。在攝像機的上方，1 臺激光雷達設備不停旋轉，下方還裝有另外2 臺立體攝像機，兩側各1 臺，使其能夠環顧四周。激光雷達利用反射的激光信號來映射周圍的空間，雖然精度高，但產生的圖像不完整；而立體攝像機則相反，它拍攝的三維圖像完整，但精度不高。將兩種技術結合起來，RoboSimian 不僅被賦予了精確的視覺，還實現了自主導航。對于噴氣推進實驗室（JPL）的工程師們來說，這已不是什么新鮮事了，早在20 世紀90 年代，他們就為火星漫游車開發了這種視覺感知系統。事實上，RoboSimian 的大部分技術都是對噴氣推進實驗室（JPL）早期機器人功能的擴展和更新，例如，在 20 世紀90 年代末和21 世紀初為空間站的建設與維護而建造的六肢機器人LEMUR，以及不久后為行星運行建造的有肢輪式貨運機器人ATHLETE。

當然，這并不是說建造RoboSimian 是件輕松的事情。“在它身上，肯定發生過很多硬件錯誤。” Brett Kennedy 說。例如，試圖將執行機構與插入其中的編碼器和在旁旋轉的電機集成到一起時，可能就會發生一些意外的情況，這就需要對軟件進行修改。商用件通常都沒有按照其本來的設計能力來使用。“將這些系統集成到一起，這本身就是一項巨大的挑戰。”最終，RoboSimian 在23 個參賽機器人中排名第五。

Motiv Robotics公司的機器人RoboMantis是基于該公司獲得的噴氣推進實驗室（JPL）授權的機器人RoboSimian技術而制造的，但該公司對大部分系統、組件及軟件都進行了更新。RoboMantis有4條腿，下面裝有輪子，它的1條或2條手臂可以使用各種工具，用于在一些區域開展對人類來說比較危險的工作

甚至在決賽前，管理噴氣推進實驗室（JPL）的加州理工學院就使整臺機器人具備了獲得一攬子許可證的條件。這個想法對重新設計RoboSimian 的被許可方并非必要，但對開發新的機器人技術卻是有必要的。這是因為，RoboSimian 采用模塊化設計建造，這使得零件和系統可以重新排列布置。例如，噴氣推進實驗室（JPL）隨后開發了半人形機器人SURROGATE，它可以將其中一條肢體用作脊柱，以實現靈活性。最初的機器人還配備了其它技術和一系列解決方案——執行機構、傳感器、簡化的接口，它們都可以改換用途。“RoboSimian就是一整套的技術。”Brett Kennedy 說。

位于加利福尼亞州帕薩迪納市（距噴氣推進實驗室不遠）的機器人公司Motiv Space Systems 對這項技術申請并獲得了正式授權，并成立了子公司MotivRobotics 公司。盡管該公司也曾向杜克大學出售過RoboSimian 的精確復制品，但公司的工程師，包括在噴氣推進實驗室（JPL）研究過RoboSimian 技術的2 名工程師，以及在噴氣推進實驗室（JPL）和約翰遜航天中心（Johnson Space Center）均開展過機器人研究的2 名工程師，都更加傾向于將RoboSimian視為研發下一代機器人的起點。經過多年的研究和開發，新款機器人，即另外研發的五肢或六肢機器人RoboMantis 于2018 年1 月在國際消費類電子產品展覽會（CES）上亮相。

“RoboSimian 研制的初衷是開展災難救援，以及在危險區域開展工作。RoboMantis 基本上就是RoboSimian 的升級 版本。”Motiv Space Systems 公司總裁兼首席執行官克里斯·塞耶（Chris Thayer）說。他說，機器人主要部分仍然延續了下來，例如，穩定性、模塊化設計，以及類似的行走能力、立體攝像機和激光雷達傳感器等，但里面的設計卻大相徑庭。最明顯的區別是，RoboSimian 需要依靠四肢進行行走，并用其中的前肢開展工作。而RoboMantis在穩定性方面則更勝一籌，其4 條腿專門用于行走，每條腿上都有一個輪子；根據型號的不同，其另外裝有1 條或2 條手臂，用于完成實際工作。

新型機器人也進行了全面升級。Motiv Robotics 公司在開源機器人操作系統上創建了全新的軟件，使系統具有更強的計算能力，并公開可用。RoboMantis 保留了RoboSimian 的模塊化設計，但設計團隊讓模塊之間的接口能夠更快、更便捷地組裝在一起。公司設計了自己的執行機構，用于驅動機器人的關節，還設計了更高的扭矩，其設計也主要基于Motiv Robotics 公司為火星漫游車建造的四肢。

機器人的電力系統也進行了全面改版，這是因為RoboSimian 經歷過一次危險的爆炸，始作俑者就是鋰離子電池發生了熱擊穿。RoboMantis 仍然使用鋰離子電池，但電池都是現成的軍用型號。不僅如此，RoboMantis 還使用了同前一版本類似的激光雷達和立體攝像機視覺系統，不過，Chris Thayer 說這都得益于立體視覺系統的技術進步。他說，事實上，RoboMantis 利用了自其創建以來的所有技術升級的優勢。“技術更新非常重要。因此，我們每年都會取得新的突破。”

Motiv Robotics 公司運營副總裁布雷特·林登費爾德（Brett Lindenfeld）說，雖然RoboMantis 是一次系統升級，但它還是主要依賴于噴氣推進實驗室（JPL）的研發成果。“在沒有外部融資的情況下，一切從零開始是不現實的，所以，利用NASA 的投資也是合情合理的。”他說道。“多年來，他們為此投入了數百萬美元，并證明了這種配置的實用性。我們站在JPL 研發成果的肩膀上，讓它的作用得以充分發揮。”

新型機器人的第一個客戶是羅格斯大學。2018 年初，該大學收到了1 臺五肢機器人RoboMantis。但是，Motiv Robotics 公司的目標客戶是在危險環境作業的公司或組織——從救災到石油天然氣行業，在那里，機器人可以代替人類工作。Brett Lindenfeld 舉例說，例如，要清潔1 臺大型化學容器的內部，現在工人都是穿著防護服進去。“或者你也可以把機器人送進去，RoboMantis可以像掃地機器人Roomba一樣工作。”Brett Lindenfeld 說，公司的工程師們正在根據他們從潛在用戶那里收集到的需求信息，為機器人手臂開發電動清洗附件等工具。“

RoboSimian 研制初衷是開展災難救援，以及在危險區域開展工作。RoboMantis 基本上就是RoboSimian 的升級版本。”

——克里斯·塞耶，Motiv Space Systems

另外，產品還可能應用到諸如拆彈等軍事領域。Chris Thayer 說，他希望看到RoboMantis 應用到化工廠、發電廠、油田、地下作業及其他工業環境。自RoboMantis 首次亮相以來，他說，“我們很快就發現，這種機器人引起了人們的廣泛興趣，而且還了解到人們想用它來做什么。”他指出，公司也可能會最終出售部分技術。例如，軍方表示對機械手臂感興趣，而其他一些人主要對電力系統感興趣。“我們會向客戶展示整套產品，或許他們正好就需要其中的幾項功能技術。”他說道。但是，公司的主要目標還是提供工業用的成套機器人。“我們當然希望成為眾多不同領域移動機器人的標桿平臺。” Chris Thayer 說，“我們希望提供幾十臺甚至幾百臺這樣的機器人，我認為這種可能性當然是存在的。”

Brett Kennedy 說，他在噴氣推進實驗室（JPL）的團隊很高興看到新款機器人走向世界。“我們研制機器人的歷史雖然很長，但我們在推動技術的商業化和實際應用方面尚未投入太多的精力。”他說。“我們希望能夠向企業提供這項技術，讓我們以另一種方式為國家建設服務。”