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解讀日本最先進(jìn)機器人ASIMO（上）

解讀日本最先進(jìn)機器人ASIMO（上）

人形機器人有什么用處？本田的“ASIMO”自問世以來，就一直面對著這樣的問題。但福島核電站事故發(fā)生后，外界的看法發(fā)生了改變，人形機器人作為能夠替代人類在災(zāi)害現(xiàn)場工作的工具，贏得了全世界的關(guān)注。圍繞最先進(jìn)的人形機器人ASIMO的“三種優(yōu)秀能力”，統(tǒng)管開發(fā)的本田技術(shù)研究所基礎(chǔ)技術(shù)研究中心第5研究室室長重見聰史接受了記者采訪。

躲避行人的能力

——人形機器人ASIMO怎么數(shù)？1臺、2臺？

重見：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：現(xiàn)在還是研究階段的樣機，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”三個特點。

首先想請教的是“智力進(jìn)化”。作為“智力進(jìn)化”，ASIMO似乎是世界上最先實現(xiàn)“預(yù)測與其交錯行進(jìn)的行人的行走方向，在前進(jìn)時避開行人”的雙足步行機器人。請問其中的原理是什么？

重見：首先，ASIMO的內(nèi)部預(yù)置了地圖信息，這是實現(xiàn)該功能的基礎(chǔ)。只要在地圖上指定目的地，ASIMO自己就會生成路線，并沿該路線運動。

在生成的路線上前進(jìn)時，如果前方有人通過，ASIMO將根據(jù)人的面部朝向和身體的傾斜等，預(yù)測人的步行速度和方向。如果有可能撞上，ASIMO就會改變方向避開，如果不會相撞，ASIMO就會繼續(xù)前進(jìn)。采用的是在躲避行人的同時，細(xì)微修正路線，向目的地前進(jìn)的機制。

預(yù)測約3秒后的運動，改變動作

重見：尤其重要的是預(yù)測大約3秒后的情況。如果不進(jìn)行預(yù)測，ASIMO就無法及時做出反應(yīng)，就會不斷停下腳步，成為只會等待行人通過的機器人（笑）。如果能預(yù)測到后續(xù)情況，即使運行速度有限，也可以事先做出閃避。

吸納了預(yù)測、也就是時間軸的觀點可以說是新型ASIMO的一大特點。

——為了察覺有人靠近，預(yù)測其前進(jìn)方向，ASIMO必須具備配備感知能力。請問感知能力是怎樣實現(xiàn)的？

重見：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別人的臉部和身體等部位。ASIMO就是利用這些傳感器來感知周圍情況的。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：比方說，空間內(nèi)存在機器人看不到的角落等場所。對于這些地方，要使用空間傳感器進(jìn)行感知，防止機器人撞上。起到的是彌補機器人的視覺盲區(qū)，通知機器人的作用。

——ASIMO與行人交錯行進(jìn)時，能躲開的最快速度是多少？是否設(shè)想到了行人快步疾行時的情況？

重見：行人的步行速度只要在4km/h以下，就能夠躲開。ASIMO本身的步行速度是2.7km/h。

使視覺傳感器與聽覺傳感器聯(lián)動，可同時聽取多人的聲音。

跑步時速可達(dá)9公里，單腳雙腳都能跳

——接下來就聊聊“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還是世界上第一個實現(xiàn)了連續(xù)“單腳跳”和“雙腳跳”的人形機器人。這樣的能力是如何實現(xiàn)的？

重見：如果跳起后在空中停留的時間不夠長，就做不到單腳跳和雙腳跳，因此必須保證較長的滯空時間，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單腳跳的滯空時間為0.1秒。

——落地時應(yīng)該會受到巨大的沖擊，負(fù)荷最大的是腳踝嗎？

重見：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)置了四個橡膠襯套，用來吸收沖擊。

以9km/h的速度奔跑時的腳部動作。可以看到雙腳在奔跑中騰空。此時的步幅為650mm，跳躍高度為155mm。

控制跳躍時的姿態(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：當(dāng)然，因為單腳跳與雙腳跳時的傾斜不同，所以要加以修正。而且，雙腳跳時必須做到同步，保證兩腳同時落地。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軸力覺傳感器。

其實，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，腳與地面的摩擦力將越來越小。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，不斷進(jìn)行修正以穩(wěn)定重心。

在開發(fā)過程中，最初ASIMO的腳總是打滑，無法連續(xù)跳躍。對人來說，連續(xù)跳躍是輕而易舉的事，因此，人們往往誤以為機器人也可以輕松做到，但實際上，跳躍動作非常復(fù)雜。

其實，完全相同的跳躍是根本不存在的。計算機需要按照當(dāng)時的情況進(jìn)行計算，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)這樣的計算。

每只手的手指關(guān)節(jié)自由度為13，通過油壓驅(qū)動實現(xiàn)細(xì)微的動作，從而能比劃手語。其他部位的關(guān)節(jié)自由度為頭部3個、腰部2個、每只手臂各7個、每條腿各6個。共計57個（比舊款增加了23個）。

相當(dāng)于使用了5個最新CPU

——落地時的防滑似乎也很難解決。

重見：要腳跟先落地，吸收沖擊。同時，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的作用下，機器人就會摔倒。

而且，如果在腳落地之后才開始做出反饋，時間上會來不及。因此，ASIMO采用的機制是，在推測地面位置和落地面之后，一邊預(yù)測一邊進(jìn)行動作，順滑地完成落地。

——瞬間完成如此多的計算似乎需要相當(dāng)高的處理能力。ASIMO的處理能力有多高？

重見：可以認(rèn)為是安裝了5個最新的個人電腦CPU。不只是運動能力，ASIMO還要具備計算能力、圖像處理能力、語音識別能力，這些能力要求的性能也完全具備。

踢球也是小菜一碟。

6軸力覺感器檢測抓握紙杯的力道

——接下來想問一下“作業(yè)功能提升”。ASIMO實現(xiàn)了“握住水瓶，擰開蓋子，將水倒入手中的紙杯”這樣的動作，請問ASIMO是否也能判斷該向紙杯中倒入多少水？

重見：ASIMO的指尖安裝了6軸力覺傳感器，能夠檢測紙杯中水的重量。因此，只要向其指示要倒多重的水，ASIMO就能在恰當(dāng)?shù)臅r候停止倒水。

——如果抓握的力道太大，會把紙杯捏扁，這里的分寸應(yīng)該也是由6軸力覺傳感器來掌握，但倒入水后，指尖的受力會發(fā)生改變，分寸似乎很難拿捏。

重見：的確如此，紙杯開始的重量很輕，只需輕輕抓握。但隨著杯中水的重量增大，如果不加大力道，紙杯就會滑落。基本來說，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軸力覺傳感器發(fā)揮作用，使3根手指取得平衡，對抓握方式進(jìn)行修正。

——為了讓ASIMO的動作更加自然，貴公司是否研究了人體的機制？

重見：我們調(diào)查了人類骨骼的構(gòu)造和肌肉的構(gòu)造。除此之外，還了解了關(guān)節(jié)運動與角度的關(guān)系，以及怎樣的作業(yè)需要關(guān)節(jié)做出怎樣的運動，并將這些研究結(jié)果用在了ASIMO的開發(fā)中。

能擰開水瓶的蓋子，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)是貼近人類生活發(fā)揮作用

——前面請教了新型ASIMO的三個特點，請問這些特點的實現(xiàn)有何意義？

重見：我們的目標(biāo)是讓ASIMO成為貼近人類生活與人共存、能發(fā)揮自身作用的存在。在瞬息萬變的現(xiàn)實環(huán)境中，機器人必須做到隨機應(yīng)變。現(xiàn)實環(huán)境中不存在完全相同的場景。我覺得，對于機器人而言，重要的不是要配合人類，而是要按照所處的環(huán)境做出反應(yīng)。

因此，機器人必須做到及時避開。把單腳跳等動作作為研究主題，也是為了讓機器人具備姿態(tài)控制等身體能力。

另外，增加手部自由度也具有重大意義。舊型號以移動為主，而新型ASIMO不僅能夠移動，還能利用手部進(jìn)行一些作業(yè)，距離有用的機器人越來越近。畢竟如果不能發(fā)揮作用，就不能稱之為機器人。