解讀日本最先進(jìn)機(jī)器人ASIMO（上）
人形機(jī)器人有什么用處？本田的“ASIMO”自問(wèn)世以來(lái)，就一直面對(duì)著這樣的問(wèn)題。但福島核電站事故發(fā)生后，外界的看法發(fā)生了改變，人形機(jī)器人作為能夠替代人類(lèi)在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)工作的工具，贏得了全世界的關(guān)注。圍繞最先進(jìn)的人形機(jī)器人ASIMO的“三種優(yōu)秀能力”，統(tǒng)管開(kāi)發(fā)的本田技術(shù)研究所基礎(chǔ)技術(shù)研究中心第5研究室室長(zhǎng)重見(jiàn)聰史接受了記者采訪。
躲避行人的能力
——人形機(jī)器人ASIMO怎么數(shù)？1臺(tái)、2臺(tái)？
重見(jiàn)：我們是用“1具、2具”的數(shù)法（笑）。
——新型ASIMO現(xiàn)在有多少具？
重見(jiàn)：現(xiàn)在還是研究階段的樣機(jī)，總數(shù)不到10具。
——現(xiàn)在的ASIMO誕生于2011年11月，具備“智力進(jìn)化”、“身體能力進(jìn)化”、“作業(yè)功能提升”三個(gè)特點(diǎn)。
首先想請(qǐng)教的是“智力進(jìn)化”。作為“智力進(jìn)化”，ASIMO似乎是世界上最先實(shí)現(xiàn)“預(yù)測(cè)與其交錯(cuò)行進(jìn)的行人的行走方向，在前進(jìn)時(shí)避開(kāi)行人”的雙足步行機(jī)器人。請(qǐng)問(wèn)其中的原理是什么？
重見(jiàn)：首先，ASIMO的內(nèi)部預(yù)置了地圖信息，這是實(shí)現(xiàn)該功能的基礎(chǔ)。只要在地圖上指定目的地，ASIMO自己就會(huì)生成路線，并沿該路線運(yùn)動(dòng)。
在生成的路線上前進(jìn)時(shí)，如果前方有人通過(guò)，ASIMO將根據(jù)人的面部朝向和身體的傾斜等，預(yù)測(cè)人的步行速度和方向。如果有可能撞上，ASIMO就會(huì)改變方向避開(kāi)，如果不會(huì)相撞，ASIMO就會(huì)繼續(xù)前進(jìn)。采用的是在躲避行人的同時(shí)，細(xì)微修正路線，向目的地前進(jìn)的機(jī)制。
預(yù)測(cè)約3秒后的運(yùn)動(dòng)，改變動(dòng)作
重見(jiàn)：尤其重要的是預(yù)測(cè)大約3秒后的情況。如果不進(jìn)行預(yù)測(cè)，ASIMO就無(wú)法及時(shí)做出反應(yīng)，就會(huì)不斷停下腳步，成為只會(huì)等待行人通過(guò)的機(jī)器人（笑）。如果能預(yù)測(cè)到后續(xù)情況，即使運(yùn)行速度有限，也可以事先做出閃避。
吸納了預(yù)測(cè)、也就是時(shí)間軸的觀點(diǎn)可以說(shuō)是新型ASIMO的一大特點(diǎn)。
——為了察覺(jué)有人靠近，預(yù)測(cè)其前進(jìn)方向，ASIMO必須具備配備感知能力。請(qǐng)問(wèn)感知能力是怎樣實(shí)現(xiàn)的？
重見(jiàn)：ASIMO也使用其所在空間內(nèi)設(shè)置的攝像頭等空間傳感器。另外，ASIMO自身內(nèi)置的雙目攝像頭還能識(shí)別人的臉部和身體等部位。ASIMO就是利用這些傳感器來(lái)感知周?chē)闆r的。除此之外，還有其他的一些攝像頭和傳感器。
ASIMO在步行中避開(kāi)行人。ASIMO的身高為130厘米，體重為48公斤。
——空間傳感器具體怎樣發(fā)揮工作？
重見(jiàn)：比方說(shuō)，空間內(nèi)存在機(jī)器人看不到的角落等場(chǎng)所。對(duì)于這些地方，要使用空間傳感器進(jìn)行感知，防止機(jī)器人撞上。起到的是彌補(bǔ)機(jī)器人的視覺(jué)盲區(qū)，通知機(jī)器人的作用。
——ASIMO與行人交錯(cuò)行進(jìn)時(shí)，能躲開(kāi)的最快速度是多少？是否設(shè)想到了行人快步疾行時(shí)的情況？
重見(jiàn)：行人的步行速度只要在4km/h以下，就能夠躲開(kāi)。ASIMO本身的步行速度是2.7km/h。
使視覺(jué)傳感器與聽(tīng)覺(jué)傳感器聯(lián)動(dòng)，可同時(shí)聽(tīng)取多人的聲音。
跑步時(shí)速可達(dá)9公里，單腳雙腳都能跳
——接下來(lái)就聊聊“身體能力進(jìn)化”。ASIMO的步行速度是2.7km/h，但跑步的速度已經(jīng)達(dá)到了9km/h，而且還能在凸凹不平的路面上奔跑。
有意思的是，ASIMO還是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)“單腳跳”和“雙腳跳”的人形機(jī)器人。這樣的能力是如何實(shí)現(xiàn)的？
重見(jiàn)：如果跳起后在空中停留的時(shí)間不夠長(zhǎng)，就做不到單腳跳和雙腳跳，因此必須保證較長(zhǎng)的滯空時(shí)間，這就必須在跳躍中保持姿態(tài)平衡。在空中保持姿態(tài)平衡是最難的地方。ASIMO單腳跳的滯空時(shí)間為0.1秒。
——落地時(shí)應(yīng)該會(huì)受到巨大的沖擊，負(fù)荷最大的是腳踝嗎？
重見(jiàn)：是的。因此，ASIMO的腳踝安裝了橡膠襯套（圓柱形的橡膠部件）。腳掌與腳踝之間設(shè)置了四個(gè)橡膠襯套，用來(lái)吸收沖擊。
以9km/h的速度奔跑時(shí)的腳部動(dòng)作。可以看到雙腳在奔跑中騰空。此時(shí)的步幅為650mm，跳躍高度為155mm。
控制跳躍時(shí)的姿態(tài)，穩(wěn)定重心
——單腳跳與雙腳跳是否采用了不同的姿態(tài)控制方法？
重見(jiàn)：當(dāng)然，因?yàn)閱文_跳與雙腳跳時(shí)的傾斜不同，所以要加以修正。而且，雙腳跳時(shí)必須做到同步，保證兩腳同時(shí)落地。姿態(tài)修正使用的是ASIMO內(nèi)置的加速度傳感器、陀螺儀傳感器（角速度傳感器）和6軸力覺(jué)傳感器。
其實(shí)，包括腳尖在內(nèi)，不打滑的跳躍本身在技術(shù)上就有很大難度。準(zhǔn)備跳躍抬起腳跟時(shí)，腳與地面的摩擦力將越來(lái)越小。最終達(dá)到只有腳尖接觸地面的狀態(tài)，要想在這樣小的摩擦之下不打滑，就必須蹬牢地面。這就需要控制姿勢(shì)，不斷進(jìn)行修正以穩(wěn)定重心。
在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最初ASIMO的腳總是打滑，無(wú)法連續(xù)跳躍。對(duì)人來(lái)說(shuō)，連續(xù)跳躍是輕而易舉的事，因此，人們往往誤以為機(jī)器人也可以輕松做到，但實(shí)際上，跳躍動(dòng)作非常復(fù)雜。
其實(shí)，完全相同的跳躍是根本不存在的。計(jì)算機(jī)需要按照當(dāng)時(shí)的情況進(jìn)行計(jì)算，在不同的情況下完成完全不同的跳躍。連續(xù)跳躍必須要不斷重復(fù)這樣的計(jì)算。
每只手的手指關(guān)節(jié)自由度為13，通過(guò)油壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)細(xì)微的動(dòng)作，從而能比劃手語(yǔ)。其他部位的關(guān)節(jié)自由度為頭部3個(gè)、腰部2個(gè)、每只手臂各7個(gè)、每條腿各6個(gè)。共計(jì)57個(gè)（比舊款增加了23個(gè)）。
相當(dāng)于使用了5個(gè)最新CPU
——落地時(shí)的防滑似乎也很難解決。
重見(jiàn)：要腳跟先落地，吸收沖擊。同時(shí)，腿及腳的關(guān)節(jié)還必須根據(jù)腳承受的力，做出靈活的反應(yīng)。如果不做相應(yīng)的修正，在落地的沖擊和滑動(dòng)的作用下，機(jī)器人就會(huì)摔倒。
而且，如果在腳落地之后才開(kāi)始做出反饋，時(shí)間上會(huì)來(lái)不及。因此，ASIMO采用的機(jī)制是，在推測(cè)地面位置和落地面之后，一邊預(yù)測(cè)一邊進(jìn)行動(dòng)作，順滑地完成落地。
——瞬間完成如此多的計(jì)算似乎需要相當(dāng)高的處理能力。ASIMO的處理能力有多高？
重見(jiàn)：可以認(rèn)為是安裝了5個(gè)最新的個(gè)人電腦CPU。不只是運(yùn)動(dòng)能力，ASIMO還要具備計(jì)算能力、圖像處理能力、語(yǔ)音識(shí)別能力，這些能力要求的性能也完全具備。
踢球也是小菜一碟。
6軸力覺(jué)感器檢測(cè)抓握紙杯的力道
——接下來(lái)想問(wèn)一下“作業(yè)功能提升”。ASIMO實(shí)現(xiàn)了“握住水瓶，擰開(kāi)蓋子，將水倒入手中的紙杯”這樣的動(dòng)作，請(qǐng)問(wèn)ASIMO是否也能判斷該向紙杯中倒入多少水？
重見(jiàn)：ASIMO的指尖安裝了6軸力覺(jué)傳感器，能夠檢測(cè)紙杯中水的重量。因此，只要向其指示要倒多重的水，ASIMO就能在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候停止倒水。
——如果抓握的力道太大，會(huì)把紙杯捏扁，這里的分寸應(yīng)該也是由6軸力覺(jué)傳感器來(lái)掌握，但倒入水后，指尖的受力會(huì)發(fā)生改變，分寸似乎很難拿捏。
重見(jiàn)：的確如此，紙杯開(kāi)始的重量很輕，只需輕輕抓握。但隨著杯中水的重量增大，如果不加大力道，紙杯就會(huì)滑落。基本來(lái)說(shuō)，支撐紙杯的是拇指、食指和中指這3根手指，人也是如此，其余2根手指只是輔助而已。這里就要6軸力覺(jué)傳感器發(fā)揮作用，使3根手指取得平衡，對(duì)抓握方式進(jìn)行修正。
——為了讓ASIMO的動(dòng)作更加自然，貴公司是否研究了人體的機(jī)制？
重見(jiàn)：我們調(diào)查了人類(lèi)骨骼的構(gòu)造和肌肉的構(gòu)造。除此之外，還了解了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與角度的關(guān)系，以及怎樣的作業(yè)需要關(guān)節(jié)做出怎樣的運(yùn)動(dòng)，并將這些研究結(jié)果用在了ASIMO的開(kāi)發(fā)中。
能擰開(kāi)水瓶的蓋子，向手中的紙杯里倒水（液體）。由拇指、食指和中指握住紙杯，其余兩根手指只起輔助作用。
目標(biāo)是貼近人類(lèi)生活發(fā)揮作用
——前面請(qǐng)教了新型ASIMO的三個(gè)特點(diǎn)，請(qǐng)問(wèn)這些特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)有何意義？
重見(jiàn)：我們的目標(biāo)是讓ASIMO成為貼近人類(lèi)生活與人共存、能發(fā)揮自身作用的存在。在瞬息萬(wàn)變的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，機(jī)器人必須做到隨機(jī)應(yīng)變。現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在完全相同的場(chǎng)景。我覺(jué)得，對(duì)于機(jī)器人而言，重要的不是要配合人類(lèi)，而是要按照所處的環(huán)境做出反應(yīng)。
因此，機(jī)器人必須做到及時(shí)避開(kāi)。把單腳跳等動(dòng)作作為研究主題，也是為了讓機(jī)器人具備姿態(tài)控制等身體能力。
另外，增加手部自由度也具有重大意義。舊型號(hào)以移動(dòng)為主，而新型ASIMO不僅能夠移動(dòng)，還能利用手部進(jìn)行一些作業(yè)，距離有用的機(jī)器人越來(lái)越近。畢竟如果不能發(fā)揮作用，就不能稱(chēng)之為機(jī)器人。
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