机器人技术:机器人的大脑和四肢将越来越发达

智能机器人可做清洁和娱乐工作,并具备新的类似人类的能力

作者:Loring Wirbel

20多年以前,一提到机器人,人们脑海里就出现这样一幅景象:在工厂的地板上,一个功能固定的设备依赖简单的视觉系统和8位或者16位MCU进行定位控制。而科幻小说则为我们勾勒出更为接近人类的机器人形象,包括具备人工智能,能够在复杂的公共环境下表现正常。

人工智能的权威人士曾一直以为,精确的视力和高速I/O是比较容易解决的问题。直到经过了上个世纪九十年代神经网络和模糊逻辑的实践经验,才使他们明白布尔推理等所谓的难题实际上比较容易解决；而与环境交互等这种所谓容易解决的问题,则非常难以解决。

到21世纪,由于意识到新出现的并行网络或分布控制回路,能不时地脱离主处理器运行,而这也许可以实现智能行为和简单的感知能力。因此,人们对各种机器人的研究热情再一次被点燃。之后,各种各样的研究项目都把目标对准了能够对环境做出实时响应的简单系统。

作为消费电子和娱乐平台,索尼的机器狗Aibo引来了大批的效仿者。有日本联合大企业,有北美的新兴公司,有专门成立的大学生兴趣小组,他们都参与了世界RoboCup机器人大赛。虽然有部分研究人员正在研究两足类人系统,RoboCup大赛的发起人Hiroaki Kitano在去年预言,类人机器人最多也只能占10～15%的市场份额。相比之下,四足、六足和八足系统,以及面向垂直市场的轮式和半固定系统,由于具有灵活性,因此在消费电子、工业和军事领域市场具有优势。

Aibo在市场上激起了第一波热潮。麻省理工学院计算机科学系的富士通教授及iRobot公司创始人Rodney Brooks在新出版的《肉体和机器》一书中描述了“My Real Baby”的设计师们如何努力克服生产机器人玩具所遇到的束缚。DSP巨头如TI和ADI也声称,尽管在未来数年内都很难降低智能玩具的成本,他们仍然乐意进行这样的努力,力图以成本的大幅降低换来大规模的应用。

iRobot公司的创始人曾经尝试过家庭应用市场。该公司的Roomba是一个价格仅为200美元的房间清洁机器人,它只有餐碟般大小,可以执行基本的清洗任务。然而,一个500或1,000美元的控制站机器人加上价值10美元的一次性房间清洁器组成的房间清洁系统,对于房间清扫这样的简单任务来说过于复杂,因此短期内不会取代家用真空吸尘器。iRobot的Brooks认为,另外房间清洁器和割草机的导航系统仍然是一个问题:如果没有像GPS这样的定位参考系统支持,这些设备只能在给定区域内随机走动,这对于执行固定的任务来说是不够的。

问题的关键在于自然智力和程序智能之间的差别。Brooks领导的斯坦福和麻省理工学院联合研究小组以及卡内基梅隆大学的Hans Moravec领导的小组,都曾试图通过预见机器人在一个给定空间内所能执行的所有动作,来预先编写所有的规则程序,以保障机器人在该空间内行为正常。然而,尽管机器人在上述给定空间里的行为是可以预见的,但环境中的障碍及其它不可预知的问题仍然会导致机器人的中央处理系统崩溃,因此它不可能适应环境。

当把小机器人应用于战场时,精确度是必然的要求

在最近的10年里,麻省理工学院的Brooks和Cynthia Breazeal支持的概念是,制造没有一般规则或空间知识,但具有很强适应性的机器人。它允许移动式机器人具有环境适应性,能够充分自如地完成简单的割草和清扫任务,而无需理解物理空间,但是这些机器人却不能尽可能好地完成手上的工作。

虽然iRobot和科学应用国际公司(SAIC)等机器人研究公司还在继续完善家用机器人系统,美国的军事机构和政府特工组织却已经能用上这种机器人智能。分布式控制的移动式机器人是美国空军的无人飞行器(UAV)项目的基础,也是海军的海下无人驾驶项目以及陆军地貌和地表探测机器人项目的基础。诸如美国能源部和环保署这样的政府机构甚至已经能够使用遥控系统来处理和清除危险的材料。

当把小机器人应用于战场时,精确度是必然的要求。而在普通的遥感和勘探任务中,军队和警察组织就可以使用随意走动的机器人,以一种随机的方式来探测目标区域。事实上,美国国防部研究工程主任Ron Sega在最近的一次演讲中称,当在一个人口密集的地方同时使用若干个机器人时,它们呈现出国防部官员所称的“自然蜂群智能”,这是一种未曾预料的共同活动的行为特征,无需主处理器发布控制命令。

美国国防高级研究项目管理局(DARPA)通过其微系统技术处的两个独立项目,向这些技术提供了资金资助,这两个项目分别是MEMS计划和分布式机器人计划。DARPA的特别工程办公室还有其它一些小项目,比如Sega的国防部级国家航空和航天行动计划,该办公室将政府的分布式机器人研究统一了起来。DARPA也与许多公司进行合作,共同研究用于机器人的惯性测量MEMS、光学MEMS和射频技术,这些公司包括TI、Rockwell、ADI、惠普、Honeywell、Silicon Light Machines、杰尔、CoreTek、西门子以及Raytheon等。

这给半导体供应商带来了获利前景,特别是对于那些专注于DSP、基于MEMS的传感器和混合信号数据探测设备的供应商。于是,用于控制飞机的复杂64位主处理器的成本持续降低,有趣的多层机器人智能可以通过并行或多层DSP来实现,而所用的芯片的价格已低至每块5美元。

ADI公司MEMS部门的市场经理Christophe Lemaire说,Aibo狗可以激发一个用于消费电子和专用机器人的惯性测量MEMS市场,这是一个利润丰厚的市场,但汽车市场仍是惯性MEMS最大的单一应用领域。

ADI MEMS部门的应用工程师Harvey Weinberg称,上述MEMS已经被应用于高端船舶、特殊用途飞机以及UAV的天线上。这将导致在移动式机器人上实现更多的稳定性应用,尤其是服务残疾人的轮式机器人,或是Segway系统的智能跟随机器人。

分布式控制成本

对于ADI公司,有两种采用DSP的方法可以实现低成本的分布式控制。如果要通过片上A/D转换器采集混合信号,同时必须使用PWM,那么ADI可以提供2199x混合信号DSP；如果系统需要执行某些整数控制,如控制飞机这样的任务,则可选择ADI新的Blackfin定点DSP。后者是ADI与英特尔联合设计的,它使用了英特尔的微信号架构(MSA),可提供高端的混合性整数和浮点性能,其主频为600MHz,每片5美元。

ADI的16位DSP产品线经理Finbarr Moynihan说,BlackFin的代码优化比TI混合型的320C54x DSP+ARM7或ARM9架构要好很多。

当然TI并不认同这一点。该公司的C2000 DSP产品线的首席技术官Dave Figoli称,该公司C2000 DSP芯片非常适用于分布式控制回路中的双节点控制,也适用于需要大量DSP进行并行操作的多处理器系统之间的通讯。“在某些设计中,DSP既可以充当中央控制器,又可以充当节点控制器。”Figoli说,“对于一个与周围环境进行交互的分布式系统,其控制节点必须能够在非常高的数据传送速率下处理多个环路。”

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