讓機(jī)器人上!
????新一代工業(yè)機(jī)器人能給船體除漆,檢查地下煤氣管道,穿越無人沙漠,甚至可以修剪你的高爾夫球場 ????作者:Stuart F. Brown ????上個(gè)世紀(jì) 80 年代,第一次工業(yè)機(jī)器人浪潮最早出現(xiàn)在工廠。它們大多數(shù)都是固定作業(yè)的,外觀跟手臂類似,常被派去干那些所謂的“三D工作”─乏味、骯臟或危險(xiǎn)的事情,比如把晶片插進(jìn)電路板、噴漆或者焊接之類的活兒。在這些小發(fā)明旁邊干活的工人們久而久之習(xí)慣于把它們僅僅當(dāng)成是機(jī)械工具,而不是多少也有點(diǎn)自主行動(dòng)能力的自動(dòng)化裝置。 ????不過,機(jī)器人的世界也發(fā)生著迅捷的變化。隨著電腦運(yùn)算能力飛速提高、價(jià)格急劇下降以及全球定位系統(tǒng)(GPS)等導(dǎo)航技術(shù)的出現(xiàn),工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)已遍布全球。除了干好那些用傳輸帶送到面前的活兒之外,活動(dòng)機(jī)器人還可以到任何需要的地方去工作。 ????消費(fèi)者已經(jīng)開始熱衷于用機(jī)器人來給地板除塵和修剪草坪。同時(shí),大學(xué)里的研究人員正在開發(fā)更先進(jìn)的機(jī)器人,它們不僅可以做“三 D 工作”,而且可以完成那些需要具備出色獨(dú)立決策能力的工作,如檢查地下天然氣管道,在無人駕駛的情況下穿越崎嶇的沙漠地帶,甚至行走在水面上檢驗(yàn)污染物。為了一睹目前活動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展情況,《財(cái)富》雜志派人參觀了位于匹茲堡的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)機(jī)器人學(xué)院,那是個(gè)奇思異想層出不窮的地方。 ????越野勇士 ????卡內(nèi)基梅隆大學(xué)野外機(jī)器人中心創(chuàng)立者雷德?惠塔克(Red Whittaker)是個(gè)充滿活力、滿腦子追求成功的家伙,他從 1984 年就開始研究能夠在極端環(huán)境下工作的活動(dòng)機(jī)器人。他現(xiàn)在的心思都放在了“無人駕駛沙漠賽車”上。他的“雷德之隊(duì)”(Red Team)正竭盡全力備戰(zhàn)五角大樓的第二屆“大挑戰(zhàn)”賽事,這是一項(xiàng)由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)贊助的穿越莫哈韋沙漠的機(jī)器人駕車比賽。 ????去年 3 月,“雷德之隊(duì)”在參加第一屆 DARPA“大挑戰(zhàn)”時(shí)使用了一輛經(jīng)改裝后由機(jī)器人控制的多功能軍用輪型車(Humvee),1986 年產(chǎn),綽號(hào)“沙漠風(fēng)暴”。這輛老爺車只在沙漠里行駛了 7.4 英里,就失去了牽引,陷進(jìn)起伏不平的沙地里動(dòng)彈不得。雖然“雷德之隊(duì)”的車走得比其它 12 個(gè)參賽者都要遠(yuǎn),但他們還是沒能獲得 DARPA 的百萬大獎(jiǎng)。這次惠塔克勢(shì)在必得。2004 年 10 月 8 日,“雷德之隊(duì)”將派兩輛機(jī)器人駕駛的悍馬(Hummer)參加第二屆“大挑戰(zhàn)”比賽: “沙漠風(fēng)暴”和別名“陸地巡洋艦”的新款民用悍馬。每輛車內(nèi)均裝有電腦、傳感器、激光掃描儀和其它設(shè)備,使得它們能夠在無人監(jiān)控的情況下在沙漠地帶行駛?!瓣懙匮惭笈灐眱?nèi)的新型超穩(wěn)定傳感器平臺(tái),可以使它能在崎嶇的地形行駛,與獵豹在大草原上追逐獵物飛奔時(shí)仍能保 持頭部相對(duì)靜止的原理同出一轍。 ????兩輛車對(duì)工程學(xué)提出了截然不同的挑戰(zhàn)。“如果你要將一輛老式悍馬自動(dòng)化,那么你應(yīng)該重在改進(jìn)推動(dòng)油門踏板和連接部件的氣缸,因?yàn)槟愕目刂品绞绞菣C(jī)械化的,”惠塔克解釋道?!岸滦秃否R的引擎、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和剎車都是電子控制的,這樣我們只要開發(fā)控制車輛的軟件就行了?!?/p> ????這回 DARPA 把獎(jiǎng)金提高到了兩百萬美元,以吸引眾多發(fā)明天才參賽。美國軍方也翹首以待有誰能研制出無人駕駛的車輛。如果“大挑戰(zhàn)”賽事能誕生一輛具有實(shí)際操作性的自動(dòng)化卡車的話,DARPA 將獲得驚人的投資回報(bào)。 ????大賽開始前幾天,被選中參加本年賽事的 20 支隊(duì)伍將接到通知趕赴位于美國西南部的比賽起點(diǎn),全長 175 英里的比賽路線將在出發(fā)前幾小時(shí)才揭曉。自動(dòng)化車輛必須在 10 個(gè)小時(shí)內(nèi)行駛完全程,才有機(jī)會(huì)贏得比賽的勝利。 ????惠塔克非常善于招募學(xué)生志愿者來協(xié)助做賽前準(zhǔn)備,過去幾個(gè)月里他們都在忙著編輯加利福尼亞、內(nèi)華達(dá)和新墨西哥等地大片沙漠的電子地圖。他們搜集來自免費(fèi)和付費(fèi)渠道的航空數(shù)據(jù),并且結(jié)合個(gè)人自駕車在沙漠中行駛獲得的信息?!斑@是我們?cè)?2005 年的秘密武器,”惠塔克透露。“我們總共匯集了數(shù)萬兆字節(jié)的地理數(shù)據(jù),所以制定比賽計(jì)劃再也不需要仰賴 MapQuest(提供在線街道搜尋服務(wù)的公司─譯注)了。” ????濕乎乎的工作 ????剝除船體舊漆的傳統(tǒng)方法是豎起一個(gè)腳手架,讓一群工人用高壓噴射深紅色粗砂來沖刷船體。這是一項(xiàng)又臟又危險(xiǎn)的工作。不但工人們有從腳手架上失足跌落的危險(xiǎn),而且在此過程中有毒灰塵也會(huì)紛紛落下。為了改善這項(xiàng)工作的環(huán)境,位于佛羅里達(dá)州斯圖爾特的自動(dòng)化船體清潔設(shè)備開發(fā)商 Ultrastrip Systems 開發(fā)出了帶有真空軟管的高水壓噴嘴,刮下的漆和產(chǎn)生的污水也可以通過軟管進(jìn)入過濾和處理流程。但是,這種設(shè)備的銷路并不太好,因?yàn)樗ぷ鞯乃俣戎挥写稚皼_刷的一半。 ????為了減少工作量,Ultrastrip 決定將這項(xiàng)工作自動(dòng)化,開發(fā)一個(gè)自動(dòng)除漆噴頭??▋?nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人專家?guī)椭摴鹃_發(fā)了 M3500 型除漆機(jī)器人,它不但能在可旋轉(zhuǎn)的橡膠輪上移動(dòng),其獨(dú)特的永磁材質(zhì)還可以讓其牢牢吸附于船體上。 ????實(shí)踐證明,要給機(jī)器人安裝可視系統(tǒng),從而使它具有獨(dú)立行動(dòng)能力,頗具難度。所以這一裝置是由一名工人通過控制桿來操作的。旋轉(zhuǎn)噴嘴噴出的水柱壓力高達(dá)每平方英寸 50,000 磅。(兩根纜繩為在船體上工作的機(jī)器人提供輔助安全支撐。)可以通過上下調(diào)節(jié)來避免噴嘴碰到焊縫或其它障礙。強(qiáng)大的水流沖擊船體后,使表面升溫,這樣已清洗的部分很快就會(huì)變干。 ????Ultrastrip 的首席執(zhí)行官斯蒂芬?詹森(Stephen Johnson)宣稱: “一個(gè)機(jī)器人干起活來能頂 10 個(gè)工人,而且質(zhì)量要比用粗砂沖刷還來得好?!?/p> ????詹森介紹,Ultrastrip 已經(jīng)銷售了七套這樣的設(shè)備,售價(jià)為每套 80 萬美元。Ultrastrip 的機(jī)器人幫嘉年華郵輪(Carnival Cruise Lines)保持整潔的外觀。美國海軍的一艘導(dǎo)彈驅(qū)逐艦科爾號(hào)(Cole)2000 年在也門亞丁遭恐怖襲擊破壞后,Ultrastrip 的機(jī)器人亦曾受雇為它整飭。自動(dòng)剪草消費(fèi)者最終會(huì)希望得到完全自動(dòng)化的產(chǎn)品,對(duì)這一點(diǎn)你應(yīng)該已有了初步認(rèn)識(shí)。景觀維護(hù)設(shè)備制造商 Toro 公司預(yù)測,消費(fèi)者對(duì)自動(dòng)剪草機(jī)的需求潛力很大?!皬目萍嫉陌l(fā)展速度來看,我們認(rèn)為機(jī)器人用不了多久就能修剪高爾夫球場了,”首席執(zhí)行官肯德里克?梅爾羅斯(Kendrick Melrose)很有信心?!拔覀?cè)谘芯亢烷_發(fā)產(chǎn)品時(shí)考慮的是十年至二十年內(nèi)我們行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。很顯然,消費(fèi)者需要的是更少的勞力支出?!?/p> ????Toro 公司的高級(jí)園林技術(shù)中心一直在醞釀未來的計(jì)劃,該中心由機(jī)械工程師黛納?勞恩(Dana Lonn)領(lǐng)導(dǎo)。幾年前,勞恩曾請(qǐng)包括助理研究教授桑吉夫?辛格(Sanjiv Singh)在內(nèi)的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)科學(xué)家?guī)椭_發(fā)具有先進(jìn)可視和導(dǎo)航能力的自動(dòng)剪草機(jī)。他們選擇進(jìn)行自動(dòng)化的是 Toro 公司的 3500D 型旋刀剪草機(jī),該款重型剪草機(jī)主要應(yīng)用于高爾夫球場和運(yùn)動(dòng)場地。 ????勞恩認(rèn)為,自動(dòng)草坪剪草機(jī)的研發(fā)面臨兩個(gè)根本性的難題。一是精確定位(知道自己在哪里),二是探測障礙物(這樣才不會(huì)撞到東西)。Toro 的原型機(jī)如果安上比較便宜的 GPS 接收器的話,在開闊草地和平地上的導(dǎo)航非常輕松,但當(dāng)它在伸展開來的樹枝或在其它障礙物下面行駛的時(shí)候,它就無法持續(xù)接收到 GPS 衛(wèi)星信號(hào)。 ????在這種情況下,剪草機(jī)需要輔助導(dǎo)航設(shè)備才能繼續(xù)按既定路線前進(jìn)。可行的解決辦法之一是采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng),即 INS,利用多個(gè)回轉(zhuǎn)儀作為傳感器來定位。很多飛機(jī)目前都使用昂貴的 INS 系統(tǒng)。不過,快速發(fā)展的硅質(zhì)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的市場以其成本低廉而更受工程師們青睞。小巧便宜的 MEMS 回轉(zhuǎn)儀現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于汽車穩(wěn)定性控制系統(tǒng)。GPS 生產(chǎn)商也正想方設(shè)法將其用于低成本的 INS 類產(chǎn)品上。 ????另外一個(gè)辦法是在剪草機(jī)上安裝激光系統(tǒng),將射到修剪范圍內(nèi)的反射體上的光彈回,再通過數(shù)學(xué)三角分割計(jì)算(這同樣應(yīng)用在 GPS 系統(tǒng)上),當(dāng)剪草機(jī)的 GPS 天線無法接收信號(hào)時(shí),激光系統(tǒng)就能接過導(dǎo)航的任務(wù)。不過,不管用何種方法,勞恩都認(rèn)為導(dǎo)航問題很快就能得到解決。設(shè)計(jì)可靠的視頻探視系統(tǒng)則是另一個(gè)完全不同的難題。機(jī)器人剪草最基本的判斷原則是什么呢?綠色的就是好的?!拔覀兊南敕ㄊ?,如果機(jī)器人碰到的東西是好的,那么它們通常都是綠的,”勞恩解釋說?!岸绻粋€(gè)物體不是綠色的,那么我們就需要再湊近看仔細(xì)一點(diǎn)?!钡?,綠色的東西也分很多種形態(tài)和質(zhì)地: 你怎么也不會(huì)樂意看到自己的剪草機(jī)在修剪航路旁的綠化帶,或是俱樂部會(huì)所門前的阿斯特羅草皮(Astroturf)。 ????Toro 的剪草機(jī)還能看到像高爾夫球那么大的物體。由于普通攝像頭會(huì)受到太陽光角度和露珠反射光的不利影響,所以研究專家嘗試將工業(yè)用激光掃描器放置在一個(gè)平臺(tái)上,就像探照燈那樣可以左右掃動(dòng)。激光掃描器非常昂貴,但在慢速下辨別障礙的效果很好。既然眼下消費(fèi)者對(duì)快速剪草機(jī)的需求源自降低人力成本的考慮,那么自動(dòng)剪草機(jī)的速度就不那么要緊了?!爱?dāng)機(jī)器可以無人操控時(shí),它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值就是另一回事了,”勞恩說道。“速度慢一點(diǎn)應(yīng)該沒啥問題。” ??? 向蜥蜴學(xué)習(xí) ????仿生學(xué)是一門仿效動(dòng)植物界適應(yīng)環(huán)境的成功例子的科學(xué)。壁虎和它們那粘性十足的腳是仿生學(xué)研究的熱門課題,所以不奇怪為什么梅汀?斯提(Metin Sitti)助教會(huì)在機(jī)器人學(xué)院辦公室的玻璃容器里養(yǎng)著一只名叫“皮諾托”的巨人壁虎。 ????斯提生于土耳其,在日本接受教育。這位33 歲的助教和他的學(xué)生正致力于造出具備壁虎腳功能的人工合成材料,使小型機(jī)器人可以借此為支撐,在光滑平面上爬行。 ????壁虎的腳趾上覆蓋著數(shù)百萬根細(xì)小的絨毛。每根絨毛末端都分叉成更小的一叢毛,特別像一把微型掃帚。這一整片絨毛形成的表面使壁虎能夠利用范德瓦爾斯引力爬墻,甚至頭朝下附著在玻璃上。到目前為止,研究專家只找出了一種它無法附著的材料,那就是特氟綸。 ????科學(xué)家們計(jì)算出理論上壁虎的一根足毛就能支撐其全身的重量,這說明如果人在手掌和膝蓋上戴著類似材料的墊子,就有可能攀爬墻壁。斯提的研究小組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了絨毛的十分之一粘性,他們盼望能很快獲得更大的進(jìn)展。 ????斯提對(duì)分子間斥力也很感興趣,這種力能使某些昆蟲在靜止的水面疾走而不打破液體表面張力。斯提制作了一個(gè)小型水上行走機(jī)器人,它的六條腿由金屬絲做成,外面包著防水塑料。三個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)它中間的腿像劃艇的漿那樣做橢圓形運(yùn)動(dòng)。 ????斯提的水上機(jī)器人重量不到一克,以超細(xì)電線傳輸動(dòng)力。薄膜高分子電池可使第二代機(jī)器人可以自由地奔跑。斯提預(yù)言,裝有微型生化傳感器的自動(dòng)水上昆蟲可以在將來擔(dān)當(dāng)環(huán)境監(jiān)控的工作。內(nèi)部空間隨著美國地下管道基礎(chǔ)設(shè)施的逐年老化,各家公用設(shè)施公司都面臨著找出并修復(fù)日益增多的地下設(shè)施泄漏問題。要查出一處泄漏點(diǎn)是十分困難的,一有問題,公司常常要在許多地方打洞。 ????卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的首席系統(tǒng)科學(xué)家哈根?申普夫(Hagen Schempf)指出: “煤氣公司一般都在等著你打電話給他們說,`我聞到煤氣味了。'然后,他們派人來檢查是否有泄漏?!睎|北部的天然氣供應(yīng)商認(rèn)為,如果他們多做一些預(yù)防性的維護(hù),而不是事后的緊急維修,那么維修費(fèi)用會(huì)更加經(jīng)用。正是基于這一想法,名為“探索者”(Explorer)的機(jī)器人才得以誕生。它看起來就像一串金屬香腸,用于檢測分段管道。 ????探索者由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)申普夫掛帥的工程小組負(fù)責(zé)開發(fā),東北部天然氣協(xié)會(huì)、國家航空航天局(NASA)和能源部為該項(xiàng)目提供資金。申普夫解釋說: “我們的想法就是要通過檢查主要管道來預(yù)防問題的出現(xiàn)?!彼嘈牛嚓P(guān)公司將會(huì)聘請(qǐng)一些使用他研制的管道檢測機(jī)器人作業(yè)的專業(yè)服務(wù)公司來檢查地下主干管道(他認(rèn)為,服務(wù)承包商很可能會(huì)按英尺來計(jì)價(jià)收費(fèi))。 多關(guān)節(jié)的構(gòu)造使 45 磅重的探索者能力極強(qiáng),可在 60~80 英寸的管道內(nèi)爬行時(shí)作 90 度轉(zhuǎn)彎。這一由電池驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人在兩端都裝有廣角攝像頭。它用連接著鰭狀腿的機(jī)動(dòng)滾軸貼著管道的內(nèi)壁使自己前進(jìn)。 ????在去年夏天紐約州楊克斯市進(jìn)行的實(shí)地測試中,康?埃迪森(Con Edison)成功地操作探索者穿過了幾百英尺長的鑄鐵管道,這段管道是 19 世紀(jì) 90 年代埋入地下的。機(jī)器人在管道內(nèi)以每秒四英寸的速度爬行時(shí),攝像頭把畫面無線傳送給操作者,后者在附近車內(nèi)就可以看清管道的內(nèi)部情況。 ????將來更先進(jìn)的機(jī)器人將使用復(fù)雜的評(píng)估傳感器來檢測管道內(nèi)腐蝕和裂縫的情況,這些情況單用視頻影像不一定能看清楚。 ????譯者: 陳曄 相關(guān)稿件
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