2018 世界機器人大會】從剛體機器人到「軟體機器人」

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 2018 世界機器人大會】從剛體機器人到「軟體機器人」
文、圖/雷鋒網
2018-09-01

香港科技大學機器人研究院院長王煜,是機械及航空航天工程學系教授。於 2015 年加入香港科技大學,之前曾在美國馬里蘭大學,香港中文大學和新加坡國立大學工程學院任教。目前擔任 IEEE 自動化科學與工程雜誌高級主編、 IEEE 機器人與自動化雜誌和ASME製造科學與工程學報副主編,以下為王煜於 2018 世界機器人大會之演講內容。

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剛體機器人成熟的理論體系及其存在的問題

美國十多年來一直都有研究和更新機器人的發展路線圖。其中也提到了很多問題,比較突出的有兩個問題:第一,機械手的靈巧性和操作性;第二,新型機械手或其它機器人如何能夠更接近人的操作性能和功能。這兩個問題在之前更新的路線圖中都有提到,並且也講了其發展方向。但是隨著時間的推移,我們可以看到,現在機械手及機器人的發展方向仍然不明確,最近幾年發展路線有很多,而且各不相同。

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上圖顯示了如果要做靈巧的機械手,通過傳統剛體機器人的做法可以有怎樣的發展。剛體機器人在過去幾十年裡一直被作為主要研究路線,這種機器人研究體系已經十分成熟,其中工業機器人的應用也得到了全面的發展和推廣。按照同樣的方式做與人體互動的機器人,或用到更特殊環境下的機器人,我們發現做出來的機器人並不完全適用。例如做輔助人走路或其他行動能力的機器人,可以發現這是一個很龐大的剛體機器人,顯然會存在很大的局限性。

從學術和應用的角度回顧過去機器人的發展,尤其是工業機器人得到了輝煌的發展,它所依賴的是系統性的技術,主要是剛體機器人整個技術體系。通過機械原理構建一個機器,這個機器能夠運動,再從剛體理論中把剛體去掉,換成真正的結構性材料,再把動力和驅動裝置放進去(基本上都是電機驅動),最終形成由傳感到控制的完整系統,也就是機器人。

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從運動學的角度來看,1876年德國工程師勒洛就把機械原理(即剛體運動學)徹底理順,然後寫進《機械運動學》一書中。從蒸汽機發明以後,機器人的發展和機器的發展都依賴於剛體運動學的基礎,然後把驅動、傳感和控製完全建立起來,最終形成一個系統,使得今天有各式各樣的自動化機器,包括汽車、火車,以及工業機器人,建立系統地做機器研究或機器生產的理論,這套理論已經非常成熟了。

軟體材料及軟體機器人的需求

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如果想讓機器人做更多的事情,尤其是和環境或人類進行互動,我們就會發現一個嚴峻的問題 — 剛體機器人在馬達的驅動下慣性非常大,接觸到外界就會發生強烈的衝擊,可能會造成不安全,剛體和軟體的環境互動也並不容易控制。因而,很難用傳統的剛體機器人做出新一類超出工業機器人需求的機器人。

我們希望機器人能夠和環境、人直接交互,也希望這類機器人能夠有傳感和直接通信能力,這種機器人會為人類帶來很大的幫助,包括康復、協助老人。但是剛體交互性並不好,而且馬達驅動工作時,控制好馬達以得到柔性的驅動及互動很難,因為馬達的功率一般都很大,現在不能做到那麼低功率的柔性控制。

我們需要思考能否找到其它方式,自然會想到人體。人體雖然有骨骼結構,但其外側有肌肉和皮膚(軟體)作為與外界交互最主要的界面,而不是骨頭直接與外界交互。我們想到改變剛體機器人框架,換成其他材料做的新機器人,也就是用軟體材料。相較於剛體材料而言,軟體材料互動性好很多,如果用軟體材料做出新的機器人,可能會開拓出新的應用領域。

軟體機器人的嘗試工作

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從人體角度來看,我們肌肉的彈性係數基本上和橡膠矽差不多,如果用橡膠矽來做軟體機器人,從彈性的角度來看應該和人體差不多,於是我們開始嘗試用軟塑膠一類的材料來做機器人,軟體機器人就此開始變成一種新的想法。實際上這項工作還是相對比較新的,直到 2012 年左右,美國有幾位教授用氣槍為塑膠通氣,能夠做出爬、跳等動作的軟體機器人,可以做到我們所要的軟體機器人性能。有了這些前沿性、探索性的工作後,大家開始清楚看到軟體機器人的市場前景,例如可以用來做醫療機器人、可穿戴機器人和玩具機器人。

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當然,我們還需要其它技術,比如傳感技術和驅動技術,需要柔性的傳感器,也需要柔性的驅動器。柔性傳感器的材料已經有人做過一些研究,但做柔性驅動器就很難了。現在市場上大家有很多的猜想,比如飛機的機翼不是現在的固定機翼,而是柔性的、可變形的機翼,如果做得好的話,相對空氣動力學性能會更好,所以也會有更多其它的用處。隨著 3D 列印技術的興起,有可能出現更複雜的軟體機器人材料。