如何理解精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)？

摘要：在2018WRC主論壇上，Richard Voyles教授就精準(zhǔn)無(wú)人機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵作了詳盡闡述。

Richard Voyles, 美國(guó)普渡大學(xué)（Purdue University）機(jī)器人學(xué)院創(chuàng)建人及領(lǐng)頭人，普渡大學(xué)特聘杰出學(xué)者，工程技術(shù)學(xué)院、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)學(xué)院名譽(yù)教授。曾任職于奧巴馬政府白宮科學(xué)技術(shù)發(fā)展政策制定辦公室，和弗吉尼亞阿靈頓美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，現(xiàn)任職于美國(guó)國(guó)家自然基金委員會(huì)，擔(dān)任機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目審批負(fù)責(zé)人。參建國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃、美國(guó)聯(lián)邦航天局準(zhǔn)則、智能城市、創(chuàng)新和勞動(dòng)力開(kāi)發(fā)以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)等領(lǐng)域。

以下為Richard Voyles在2018世界機(jī)器人大會(huì)上主題為《精準(zhǔn)無(wú)人機(jī)在機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用》的演講內(nèi)容：

如何理解精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)？從控制角度來(lái)講，也就是空中的精準(zhǔn)控制，其中包括高度控制、力量控制和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。

IoT“前生”：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。機(jī)器人在其中發(fā)揮的不是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用，而是一個(gè)橋梁的作用，它的傳感器連接了網(wǎng)絡(luò)世界和物理世界。從模擬世界到數(shù)字世界，機(jī)器人可以形成一個(gè)閉環(huán)。我在實(shí)驗(yàn)室所做的很多工作和傳統(tǒng)所說(shuō)的精確或者精準(zhǔn)不太一樣，我會(huì)強(qiáng)調(diào)是怎樣實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)精準(zhǔn)的，例如精準(zhǔn)無(wú)人機(jī)可以通過(guò)六個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)更高的精準(zhǔn)度。

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)其實(shí)是物聯(lián)網(wǎng)的前身，關(guān)注的是核心技術(shù)和低功、耗長(zhǎng)時(shí)間的傳感。八九十年代主要是關(guān)注低功耗，以及如何從一個(gè)臨時(shí)網(wǎng)絡(luò)中輸入信息，也就是早期“云”的概念。很多人關(guān)注自組織網(wǎng)絡(luò)的形成和傳感器數(shù)據(jù)的多跳路由。現(xiàn)在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)已有諸多應(yīng)用實(shí)例，例如在海洋監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，我們協(xié)調(diào)了多個(gè)傳感器，有對(duì)鹽度監(jiān)測(cè)的傳感器，有對(duì)水活動(dòng)監(jiān)測(cè)的傳感器，以小時(shí)或天作為采樣周期，但是這個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)，現(xiàn)在該系統(tǒng)已經(jīng)被用于氣候變化的監(jiān)測(cè)。

在智慧家庭概念中，要考慮的不僅僅是評(píng)估環(huán)境，還有對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。我們經(jīng)常談到的應(yīng)用領(lǐng)域叫作網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，例如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室花數(shù)年時(shí)間做的“智能特百惠”。這是我們與特百惠公司合作打造的智能廚房，實(shí)際上可以把這個(gè)廚房看作智能機(jī)器人。它主要通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低功耗、長(zhǎng)生命周期，以及食品類(lèi)別和數(shù)量的傳感。我們做的不是全部人類(lèi)的活動(dòng)，而是將重點(diǎn)放在廚房中食品的準(zhǔn)備上。

微節(jié)點(diǎn)和變形總線(xiàn)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)迭代

智能廚房需要人們幫助規(guī)劃食品和午餐，我們會(huì)不斷地考慮怎樣把用戶(hù)包括在內(nèi)，尤其是用戶(hù)體驗(yàn)包含在這個(gè)環(huán)節(jié)中。機(jī)器人只做傳感和思考，通過(guò)人類(lèi)和智能冰箱的互動(dòng)，由智能冰箱跟其它設(shè)備相聯(lián)系，然后給人們提供冰箱當(dāng)中儲(chǔ)存食品的信息，這樣我們開(kāi)發(fā)的一些項(xiàng)目就要做一個(gè)以控制為核心的架構(gòu)。我們知道無(wú)線(xiàn)傳感器有很多節(jié)點(diǎn)，我們和賓夕法尼亞大學(xué)合作做了微節(jié)點(diǎn)，這些微節(jié)點(diǎn)和其它的宏節(jié)點(diǎn)結(jié)合，創(chuàng)造出無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

我們開(kāi)發(fā)的另外一個(gè)伴生的產(chǎn)品叫做變形總線(xiàn)，主要是為了適應(yīng)各種傳感器和驅(qū)動(dòng)器。我們把變形總線(xiàn)作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品推出，和常規(guī)總線(xiàn)不同，常規(guī)總線(xiàn)收集傳感數(shù)據(jù)時(shí)候是這樣一個(gè)流程：首先希望傳感器和CPU相溝通，然后把其它的內(nèi)容放進(jìn)去，利用總線(xiàn)的溝通實(shí)現(xiàn)傳感功能。這種常規(guī)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，我們希望傳感器能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行一些轉(zhuǎn)換，也希望CPU能夠做一些思考，所以在變形總線(xiàn)當(dāng)中我們的轉(zhuǎn)型器會(huì)在整個(gè)總線(xiàn)當(dāng)中移動(dòng)，利用這些基于設(shè)備的信號(hào)更加有效地對(duì)傳感器進(jìn)行變形。其中，總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并不是完全嶄新的，但是卻是一個(gè)多極并聯(lián)的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。

高性能的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)出了宏節(jié)點(diǎn)和微節(jié)點(diǎn)，具有重新編程的功能，而且是自適應(yīng)的軟件，我們利用總線(xiàn)當(dāng)中的架構(gòu)幫助這些系統(tǒng)。例如無(wú)人機(jī)和機(jī)器人要能夠適應(yīng)改變的環(huán)境，而為了使得軟件工程師的工作更簡(jiǎn)單，可以設(shè)計(jì)一些能夠適應(yīng)變化的環(huán)境的系統(tǒng)。這些元素怎么和剛才我們提到的網(wǎng)絡(luò)相連接？我們的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中并不只有計(jì)算節(jié)點(diǎn)，還有傳感節(jié)點(diǎn)、思考節(jié)點(diǎn)和驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，例如精準(zhǔn)無(wú)人機(jī)是物理世界和網(wǎng)絡(luò)世界之間連接的橋梁，驅(qū)動(dòng)器控制網(wǎng)絡(luò)和傳感器相連，驅(qū)動(dòng)現(xiàn)實(shí)世界中的智慧家庭，驅(qū)動(dòng)實(shí)際的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)。這就涉及到物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)了，所以和傳統(tǒng)上講的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)還是有些不同的。

剛才談到很多帶有節(jié)點(diǎn)的傳感器，我們借此研發(fā)了履帶機(jī)器人，主要應(yīng)用于一些救援場(chǎng)景。我們的爬行機(jī)器人非常小，可以進(jìn)行搜救，可以在廢墟中尋找被掩埋的幸存者。我們還開(kāi)發(fā)出了MOTHERSHIP機(jī)器人，我們的實(shí)驗(yàn)室除了基礎(chǔ)研究和系統(tǒng)集成外，還關(guān)注如何進(jìn)行傳感和思考，并且進(jìn)行功能整合，這樣才能真正做成實(shí)用的機(jī)器人。

高精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)的研究

高精準(zhǔn)交互無(wú)人機(jī)到底應(yīng)該是什么樣的？這是一個(gè)很老的例子，主要實(shí)現(xiàn)空中操作移動(dòng)的系統(tǒng)，能夠移動(dòng)重物。這里重點(diǎn)要關(guān)注的是這一群人，上圖中的無(wú)人機(jī)是一個(gè)載人飛機(jī)，實(shí)際上是在做一個(gè)重力補(bǔ)償，也在做非常精準(zhǔn)的調(diào)校和組裝。當(dāng)然，考慮的不僅僅是X軸和Y軸，必須要考慮多維操控。最近大家都在研究六旋翼無(wú)人機(jī)，也就是實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的無(wú)人機(jī)，六旋翼無(wú)人機(jī)有更精準(zhǔn)的力量控制。

這是之前我們?cè)跓o(wú)人機(jī)方面做的一些早期的工作，大家可以看到，由于可以轉(zhuǎn)向不同的自由度，同樣也可以在不同的方向施加力。因?yàn)楹椭車(chē)h(huán)境的精準(zhǔn)互動(dòng)是非常重要的，也就是將虛擬世界的信息轉(zhuǎn)化為實(shí)際的行動(dòng)，這些旋翼通過(guò)在空中使用，其精準(zhǔn)度肯定不如地面上那么精準(zhǔn)。藍(lán)色曲線(xiàn)是理想的曲線(xiàn)，用來(lái)衡量扭矩，需要考慮力量的大小和高度，紅色曲線(xiàn)是具體使用的效率。

我們通過(guò)這種方式和物理世界進(jìn)行互動(dòng)可以應(yīng)用到各領(lǐng)域。在具體應(yīng)用中，具體的配置也要進(jìn)一步優(yōu)化，讓其在不同的高度實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，這對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)很重要。要優(yōu)化無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)本身就要做得更精準(zhǔn)。之前我們和農(nóng)業(yè)部合作，過(guò)去幾十年在做開(kāi)發(fā)核電站用無(wú)人機(jī)的相關(guān)工作，有些技術(shù)應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，有些設(shè)施已經(jīng)壽終正寢，現(xiàn)在需要摧毀，為減少對(duì)人的傷害，可以用無(wú)人機(jī)代替人類(lèi)進(jìn)行一些人無(wú)法接近或者接觸的核污染等地方。

我們希望通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)在不同的配置下看到不同的效果，從而對(duì)無(wú)人機(jī)性能進(jìn)行調(diào)校，達(dá)到更好性能，所以這張圖實(shí)際上就是我們測(cè)試的結(jié)果，看一看如何能夠?qū)λ呐渲眠M(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。我們也和合作伙伴一起做了一些工作，研究如何更好地做出無(wú)人機(jī)產(chǎn)品原型，能夠?qū)崿F(xiàn)這些無(wú)人機(jī)更精準(zhǔn)的控制，比如消費(fèi)產(chǎn)品領(lǐng)域當(dāng)中如何實(shí)現(xiàn)更好的效果。實(shí)際上優(yōu)化以后表現(xiàn)確實(shí)是更好了，無(wú)論是從哪方面來(lái)看，都比以前更好一些。

這樣會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題，有些技術(shù)細(xì)節(jié)，例如想要無(wú)人機(jī)的旋翼旋轉(zhuǎn)的話(huà)，一方面需要旋臂垂直旋轉(zhuǎn)，另外也要考慮平行向內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這和固定翼無(wú)人機(jī)非常相似，有些機(jī)翼是平行翼，有些機(jī)翼是傾斜翼，這種傾斜翼會(huì)對(duì)飛行有特殊影響，這里我們通過(guò)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，在力上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果。無(wú)論是從哪個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，我們都要對(duì)其實(shí)現(xiàn)最好的調(diào)校，考慮到空氣動(dòng)力學(xué)的影響，稍做調(diào)整就可以移動(dòng)得更快。實(shí)際上這種上反角效應(yīng)即使是四旋翼無(wú)人機(jī)，可能在實(shí)際的飛行速度上都會(huì)有20%的誤差。

我們?yōu)槭裁匆褌鞲芯W(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在這些領(lǐng)域當(dāng)中，比如核廢物的分離，這樣人就不用自己去做了。美國(guó)能源部有一個(gè)廢物隔離實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，里面有很多核廢物，也有一個(gè)非常深的井，大概有600多米深，還有普利茅斯的氣體擴(kuò)散場(chǎng)，把地下的污染氣體引出來(lái)。當(dāng)然，也有一些低密度的氣體，希望將這些氣體擴(kuò)散限制在有限的范圍內(nèi)。這種擴(kuò)散場(chǎng)大概有1英里的長(zhǎng)度，但我們無(wú)法用一個(gè)無(wú)人機(jī)覆蓋所有的地方，因?yàn)榭赡芤占恍埩粑锏臉颖?，之后只有將前期的工作做好才能正式拆除?/p>

采訪(fǎng)精選：機(jī)器人行業(yè)技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)轉(zhuǎn)型

雷鋒網(wǎng)編輯在大會(huì)上采訪(fǎng)了Richard Voyles教授，就機(jī)器人技術(shù)發(fā)展及市場(chǎng)轉(zhuǎn)型關(guān)鍵問(wèn)題，Richard Voyles給出了自己的見(jiàn)解。

您怎么看待機(jī)器人行業(yè)及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)中國(guó)的影響？

Richard Voyles：機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，在過(guò)去是更加關(guān)注硬件方面、設(shè)備方面?，F(xiàn)在，我們邁入一個(gè)嶄新的機(jī)器人技術(shù)的時(shí)代，以軟件和信息為驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人時(shí)代。這也將是新時(shí)代機(jī)器人技術(shù)的一大基礎(chǔ)，在這樣一個(gè)轉(zhuǎn)變當(dāng)中，中國(guó)和其他的國(guó)家也都受到相同的影響。

中國(guó)的機(jī)器人行業(yè)，包括中國(guó)大多數(shù)機(jī)器人公司，也正在進(jìn)行這樣的一種轉(zhuǎn)型，從硬件到軟件和信息以及AI為中心的一個(gè)大的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，這也將會(huì)成為中國(guó)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的一個(gè)主流趨勢(shì)。

這樣一個(gè)轉(zhuǎn)變也使得企業(yè)之間的合作開(kāi)始變的愈加緊迫，也促進(jìn)了越來(lái)越多的企業(yè)之間的合作，從20世紀(jì)八九十年代，企業(yè)之間合作趨勢(shì)愈多，也幫助中國(guó)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了行業(yè)的范式轉(zhuǎn)移，這個(gè)轉(zhuǎn)移是從過(guò)去比較低層的，比如說(shuō)教育，發(fā)展到更高層的生態(tài)系統(tǒng)。這也包括其他行業(yè)，例如軟件、信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，也在逐漸滲透。

通過(guò)這樣的一個(gè)軟件信息技術(shù)的逐漸滲透又反過(guò)來(lái)推動(dòng)機(jī)器人學(xué)更進(jìn)一步的發(fā)展，所以這是一個(gè)雙向反饋螺旋上升的過(guò)程。

在未來(lái)機(jī)器人發(fā)展中，它受軟件的影響較大還是受材料影響較大，未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展是什么樣子的？

Richard Voyles：目前關(guān)于軟件對(duì)于機(jī)器人行業(yè)的影響確實(shí)也是大家經(jīng)?？吹降囊粋€(gè)話(huà)題，畢竟我們過(guò)去處于工業(yè)時(shí)代，但是我們的時(shí)代在不斷的演進(jìn)，現(xiàn)在已逐漸進(jìn)入信息時(shí)代，未來(lái)還要進(jìn)入軟件時(shí)代。

在材料方面，我們也發(fā)現(xiàn)材料也變的越來(lái)越智能，我相信它們也將成為未來(lái)信息收集時(shí)代非常重要的一個(gè)有機(jī)組成部分，比如現(xiàn)在經(jīng)常熱論的多功能材料，或者我們也把它叫做機(jī)器人材料，這樣的材料可以實(shí)現(xiàn)自我的感知、思考和行動(dòng)。那在生物系統(tǒng)當(dāng)中，比如：在人體當(dāng)中我們的信息和數(shù)據(jù)它實(shí)際上和我們的所謂材料和硬件沒(méi)有一個(gè)非常明確的界限，我們的大腦中神經(jīng)原在大腦還有全身的細(xì)胞中分布，他們都是可以收集信息的，我們通過(guò)這一感知所得到的這些信息，也是與我們的人體和各個(gè)組織是密切相連不能分開(kāi)的，我們就把它稱(chēng)作一個(gè)信息處理過(guò)程或者是軟件，總的來(lái)說(shuō)在生物系統(tǒng)當(dāng)中，軟件和硬件之間的區(qū)分是比較模糊的。

在我看來(lái)，實(shí)際上人類(lèi)能夠利用客觀存在的物理世界中的工具，也是人類(lèi)最終能夠作為一個(gè)主流的物種繁衍壯大，最后統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)地球的根本原因。信息的采集我相信在新的時(shí)代也將會(huì)起到越來(lái)越重要的作用。過(guò)去我們會(huì)非常重視硬件在機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方面所起到的作用，這也是我們的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中經(jīng)常關(guān)注的一個(gè)要素，實(shí)際上我認(rèn)為我們真正應(yīng)該最為重視的因素還是信息本身，而工具或之前提到一些硬件他們只能說(shuō)是一種工具，幫助我們?nèi)ソ馕鲂畔ⅰ?/p>

舉一個(gè)例子，在我自己的實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，我們有一臺(tái)最新款的3D打印機(jī)，我們利用這個(gè)3D打印機(jī)不僅去打印一些結(jié)構(gòu)物質(zhì)，也要讓它實(shí)現(xiàn)遙感計(jì)算，還有自動(dòng)等方面的功能，我們希望硬件和軟件可以有機(jī)結(jié)合起來(lái)，這樣的有機(jī)結(jié)合，也將會(huì)成為未來(lái)3D打印機(jī)技術(shù)發(fā)展的主流。而傳統(tǒng)的3D打印機(jī)只重視硬件。

現(xiàn)在的消費(fèi)類(lèi)機(jī)器人的技術(shù)瓶頸在哪里？現(xiàn)在應(yīng)用型機(jī)器人都往消費(fèi)型機(jī)器人轉(zhuǎn)移，您怎么看待這一個(gè)問(wèn)題？

Richard Voyles：我們現(xiàn)正在進(jìn)行轉(zhuǎn)型，而未來(lái)的方向就是人機(jī)界面。在機(jī)器人1.0時(shí)代，我們?cè)?jīng)熱議的就是一個(gè)關(guān)燈工廠(chǎng)的概念，在這車(chē)間工廠(chǎng)當(dāng)中機(jī)器人負(fù)責(zé)所有的工作，人不在現(xiàn)場(chǎng)而只是負(fù)責(zé)運(yùn)維。

在機(jī)器人1.0時(shí)代，實(shí)際上我們關(guān)注的這一些領(lǐng)域發(fā)展最好的就是在汽車(chē)總裝這樣比較小的領(lǐng)域。關(guān)燈工廠(chǎng)其實(shí)是只在汽車(chē)總裝等小的領(lǐng)域發(fā)展很好。大多數(shù)比如說(shuō)汽車(chē)的零部件，它的制造本身也不是由機(jī)器人所執(zhí)行，所以它只是在非常小的市場(chǎng)當(dāng)中是比較活躍的。所以我認(rèn)為我們要解決剛才所提到這樣一個(gè)技術(shù)瓶頸，最重要的是讓人去做他最擅長(zhǎng)的事，讓機(jī)器也做它自己最擅長(zhǎng)的事。

充分利用這兩者的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行互補(bǔ)，充分實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。我相信這樣才是最有利于未來(lái)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展的。