日本机器人技术取得突破性进展,新的经济“发动机”产业有望形成

日本的机器人现在可以奔跑、跳跃,甚至翩翩起舞。例如,去年底在东京举行的一个国际机器人博览会上,来自索尼公司的4个Qrio机器人在执行一段跳舞程序时,其中的一个居然摔倒了。然而,这一摔反而成了体现机器人灵巧程度的计划外表演:这个小家伙自己站起来继续演出,其身体完好无损。

Qrio机器人的演示和其它一些进步凸显了机器人在性能和功能上的稳步发展。日本的政府、科研院所和产业界正投入大量资源开发机器人技术,其目的是把目前这种仍属小型的产业变成强大的经济“发动机”。总体上讲,这些机构看重的不是工业型机器人,而是可以做实用型的类人机器人。

日本经济产业省(METI)制造工业局局长 Toshiaki Kitamura在这个两年一次的机器人博览会上表示:“日本一直是世界头号的工业机器人供应国。现在我们期望机器人技术成为下一个带动日本工业的领导力量,续写汽车和电子技术的成功。”

在一项奇异的类人机器人派生产品的开发工作中,日本的两家公司和一个研究中心展示了一种新型汽车,它把机器人和汽车技术融合在一起。该新型汽车叫做Hallucigenia,它“具有多种比传统轿车更优秀的潜在功能。该车型还在研制过程中。”Chiba工业研究院院长 Hidetaka Uno强调。Hallucigenia项目是Leading Edge设计公司、日产汽车公司的设计分支Creative Box公司以及与Chiba工业研究院(www.it-chiba.ac.jp)相关的未来机器人技术中心(Furo)共同的构想。

索尼的Qrio同时代表了较小型类人机器人的进展。Qrio的直立高度不到2英尺(约0.6米)、重约15磅(约6.8千克)。一种改进的激励器和新的运动控制算法使Qrio可以把传统的行走与奔跑和跳跃运动流畅地结合起来。正是这些技术使得摔倒的Qrio能够重新站起来并继续跳舞。

“Qrio的个头相对较小,这对高效地实现各种各样的实验程序很有利。”索尼娱乐机器人公司的助理经理Kenichiro Nagasaka介绍说。

与Qrio相比,虽然日本国家高级工业科学技术研究院(AIST)研制的类人机器人要重得多,个头和人差不多高,但它也展示了同样的灵巧性。AIST的HRP-2平台于2002年3月面世,其直立高度约有5英尺2英寸,重量接近128磅,它是AIST与Kawada工业公司、Shimizu公司、Yasukawa电气公司的一个五年合作项目的成果。METI下属的新能源和工业技术开发机构(NEDO)提供了资助。

AIST的开发目标是可以从事更多类型工作的实用机器人,日本政府希望通过这个项目壮大日本的机器人产业。日本现在大约占有世界市场的60%,但在过去几十年里,一些小的演进式步骤没有使这个产业得到重大发展。为了加速扩张,AIST正致力于开发有可能作为人类伙伴并同人一起工作的机器人。

AIST的HRP-2有30个自由度,包括臀部的两个自由度。悬臂式关节使得HRP-2可以在狭窄的空间里行走。由于其电力供给系统结构紧凑,因此它不需要其它类人机器人通常使用的“背包”。HRP-2是为和人一同工作而设计的,例如,它可以同一个人合抬一块大木板,通过感应另一端由人施加的方向和力来掌握平衡。

倒下并无损伤地再站起是完成日常任务的一个基本能力。同索尼的Qrio一样,HRP-2同样可以自行恢复站立,这很可能是“第一次实现人体大小的机器人倒下再自己站立起来,”AIST类人机器人组学术带头人Hirohisa Hirukawa称,“本田公司的机器人Asimo至今尚未成功完成这种动作。”

HRP-2正快速进入商业领域。大约一年以前,合作开发公司之一的Kawada已经开始出租这种机器人,把它作为各个实验室的一种研发平台。为鼓励更多的汽车应用开发,AIST同东京大学联合开发了仿真和控制软件Open HRP(类人机器人平台)。该软件可在www.is. aist.go.jp/humanoid/openhrp/上获得。

与此同时,AIST的智能系统研究所在2004年2月同法国国家科学研究中心合作建立一个机器人技术实验室。这个日法联合机器人实验室将以HRP-2为平台来展示各种常见的可演示研究成果。HRP-2已被当作类人机器人平台,用于测试另一个五年项目中的实验软件,该五年项目于2002年启动,名称是 “在实际环境中工作的类人机器人关键技术研究和开发”。MEIT及其下属的NEDO赞助了该项目。

尽管一些机器人在外观和能力上正变得更像“人”,但日本另一个项目的灵感却来自一种已经在地球上存活了五亿年的动物。Hallucigenia轿车是根据寒武纪的一种多刺的海胆状生物而命名的,开发者说那个时代孕育了未来的生命形式。

例的Hallucigenia样机,它带有八个车轮模件,以便提供一些冗余并支撑该轿车的底架。一些车轮模件的动作取决于路面条件和轿车的运行状态,比如前进、倒退、右转或左转,它们在某个特定的操作中有可能用不着。当轿车爬坡时,某些车轮模件调整底盘的高度以便保持平稳状态。

尽管同有趣可爱的Qrio和努力工作的HRP-2相比,Hallucigenia似乎还有很大差距,但这种汽车实际上是仿照类人机器人来建模和设计的。这些车配有一个主CPU和若干分布在轿车各组件上的协同子CPU。此外,类人机器人的结构是冗余的,因而容许灵活的运动。“和类人机器人一样,如果一辆轿车有很多动力模件,它也可以灵活运动,”领导Leading Edge 设计公司的工业设计专家Shunji Yamanaka说。Yamanaka提出了这个样机的理念并设计了外观。

“载人汽车从问世到现在已经有大约100年了。现在到了该发生巨大演变的时候了。”他说。

与使用一个中央引擎来驱动所有车轮的传统汽车不同,Hallucigenia有一个主CPU并在每一个车轮模件中有一个子CPU。这些模件各有四个马达,一个用于转动车轮以便让车辆行走,另三个分别用于改变该模件的高度、方向和位置。

“我们并不打算开发一种自动驾驶汽车或机器人汽车,而是要创建一种按照驾驶员的要求来运行的汽车,控制它更像控制一匹马,”该汽车的开发者Takayuki Furuta指出。Furuta是Furo 研究中心的领导人,他和Yamanaka在日本的机器人研究人员中享有盛名。

由于所有的驱动功能都是在底板下实现的,因而该项目组期望这种轿车有一天可以应用在照料护理、灾难救援、物流等各种非汽车应用中,甚至可能用于居室之中。为进一步发掘Hallucigenia设计思想的潜力,该项目组正邀请各种工业和学术机构参与此项研究。

此外,一些大学正主动根据其机器人开发成果进行产业化活动。筑波大学的Cybernics实验室已经在开发一种称为HAL的机器人动力服装,它可以支持行走、坐下和站立等人体下肢动作。为了控制腿的移动,HAL检测皮肤表层上的生物信号并据此预测下一个动作。现在,这种动力服装已开发到第三版,可以支撑一个60公斤的人并可以使他或她站立起来。

筑波大学的教授Yoshiyuki Sankai想借助其实验室的开发成果同Mitsui公司合作,以便在今年春季开创一项业务。他说,Mitsui公司将同筑波大学的研究小组携手工作,使这种服装穿起来更轻便、舒适。

作者:原好子

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