科技猎2015年，机器人界发生了哪些神奇疯狂的故事？（上）
【编者按】本文作者@沐阳浸月，中科院自动化所复杂系统国家重点实验室研究员，主攻水下机器人。
2015年对于机器人来说是十分重要的一年，不管是在机器人种类的来说，还是在机器人的控制算法来说都有十分举足轻重的进步和跨越，现在我们就来盘点一下今年这些神奇与疯狂的机器人吧。上篇我们将着重讲述2015年那些比较大型的机器人们。
1、MegaBots II与Kuratas的巨型之战
也许今年在机器人界最重要的一个头版头条应该就是两台巨型机器人的大对决了，其实与其说是对决，更准确的说法应该叫约战。
今年8月末，来自美国的MegaBots公司完成了他们的巨型载人机器人（载人机器人准确的说法应该叫机甲，更偏向于钢铁侠那种，机器人则是更偏向于变形金刚那种，但是目前机甲与机器人区分并不十分明显，所以机甲也被归入机器人的行列之中）。
由于日本制造出了世界首款也是唯一只战斗机器人，所以这次傲娇的美国人不干了。 MegaBots已向日本水道桥重工递交请战书，约定在一年后让旗下MegaBots II 载人机器人与水道桥重工旗下的Kuratas载人机器人来一场世纪决战。
MegaBots公司表示：“水道桥你们听好了！你们有巨型机器人，我们也有巨型机器人，既然都是巨型机器人，怎么也得分出个胜负，成王败寇，我们一决雌雄！”于是世界的目光都投向了日本，人们期待日本会有什么样的反应，是积极应战还是闷声退缩。
（美国的 宣战视频 截图）
机器人打架，这可是只是在类似《铁甲钢拳》电影中才能出现的画面，而且这还牵涉到一个国家的颜面，反映了一个国家最高端科技的水平，所以水道桥重工作出回应：我们应战！然后互联网就都沸腾了……
( 日本接受挑战视 频截图）
先放下对决不说，我们先看下双方的实力和配置都是怎么样的。
经过大概3个月的时间， MegaBot在美国波士顿创客空间Artisan's Asylum完成了机器人的初步形态构建与装配。Stroup是主要的建设者，Cavalcanti担任设计师，Matt Oehrlein担任电气工程师，处理的电子设备和代码编程。
第一个原型，将焊接钢板盖在雕刻泡沫上，整个样机就像是一架未完成的拖车。
经过对第一版的再加工，它的更新版本的样机高15英尺，12000英镑重，由汽油驱动，运动方式为胎面滚动，前进速度可以达到3英里每小时。
这个第二架原型机，即准备参加应战的MegaBots II，可以搭载两个人：一个操作员控制定向运动，另一个操作员充当炮手，使机器人的躯干瞄准目标，并用臂式武器对目标开火 。
这个臂式武器包含可以发射3磅重彩弹的气动加农炮和一个可以一次性连续发射20枚小彩弹发射器构成，子弹初速可达 160 千米每小时。 如果MegaBots II的一支手臂脱落，另一只仍然可以继续战斗 。
而且，当得知日本水道桥重工的应战之后， MegaBots公司在 Kickstarter 发起了一项50万美元的 众筹 ，来把MegaBots II完善的更加狂野和残暴 ，以应对即将来临的与Kuratas的巅峰对决。
我们再来看看水道桥重工的 Kuratas 。
Kuratas机器人是一款可四足驾驶的机器人，有13英尺高，8000英镑重，靠柴油驱动，四轮前进，因为其是一台战斗机器人，所以装备了双管加特林油漆弹发射器，配有先进的瞄准系统以及平视显示器。在其首次展示时， 双手还可配置格林机炮，机体设计充满真实系的厚重魄力 。
可以说，Kuratas机器人确实满足了很多男人希望像小时候机器人动画片中的主角那样，驾驶一个超大机器人来一场酣畅淋漓的战斗的梦想，虽然贵了点（价 1 亿 2000 万日元，约合人民币 626 万），但全世界的机器控都已经被强烈征服了。
（水道桥重工制作的 如何驾驶Kuratas机器人 的视频）
因为双方都要为战斗进行各方面的准备，预计明年这场战斗会开战，但我认为这场战斗其实更多是一种噱头。这场战役有可能发生，但是就目前的机械和技术水平，这场战斗很可能是这样的：两台机器人架势已经摆好，一声刺耳的哨音划破寂静，战争一触即发，只见MegaBots II一个彩蛋直接命中Kuratas一根裸露的电线，只见Kuratas立马动弹不得，于是Game Over。比赛耗时30秒。
虽然这样的场景可能有点极端，但是我想说的是，目前的机器人系统是一个极其复杂的机电一体化的系统，可以毫不夸张地说，只要一个小小的故障点就能导致机器人“残废”。
也就是说，如果一个机器人在一场战役中的开场60秒击中另一台机器人的一个“弱点”，那么比赛结束。
我相信做过机器人的工作者对这一点也一定十分了解，可能很多人都快被折磨得身心俱疲了。而且我认为一个机器人开发人员在开发机器人的过程中，为了掩护住所有“弱点”也许就得花上一年甚至是三年左右的时间。
那么，因为这一点我们就不要让这样的比赛发生了吗，我觉得不是。我反而觉得这样的比赛更应该举办得多一些。通过MegaBots II与Kuratas的这场“约架”我们可以看到，更多的人对机器人有了关注，甚至产生了热情，所以让机器人成为流行文化的一部分对机器人技术的发展是大有裨益的。
2、 ATLAS
这款机器人由著名的机器人公司波士顿动力出品，之前他的大狗机器人已经令我们大吃一惊，因为这款机器人可以毫无压力地行走在各种复杂的地形之上，甚至可以承受的住人类的一个回旋踢。ATLAS这款机器人则沿袭了大狗的制作水准，不过不同的是，这款机器人采用的是和人类一样的两足行进模式，所以它和你走在森林里面，你会更加觉得恐怖。
今年年初，为了参加六月初的DAPPA机器人挑战赛，ATLAS完成了自己的一次进化。此次变身，ATLAS全身的百分之七十五都被重新设计了，只有小腿和脚沿用了上一版的设计，新的设计使得它变得更加强壮、快速、安静，并且得益于其身后的电池大背包， 它 已经脱离了电缆的束缚 。
得益于全身升级后的各项组件，新改进的ATLAS比原来的版本身材更加纤细，体型也更小，更加有效的机载液压泵也使得ATLAS机器人在移动速度上更加迅猛。 这样改进的目的也是使ATLAS机器人更容易完成一些挑战，例如要求它挤入专为人类设计的空间。这一点非常重要，因为机器人的一个设计初衷就是去完成那些对于人类来说十分不安全的工作的。我相信波士顿动力在谷歌的协助和资助下，ATLAS一定会在未来的几年以惊人的速度进一步完善。
3、 MIT的Cheetah机器人
MIT的Cheetah机器人我在雷锋网之前的专栏文章 《机器人界那些另类的朋友们 ，是怎么诞生的？》 已经有所介绍，MIT的Cheetah机器人拥有高速奔跑的能力和良好的平衡性。通过实验，其可以在8.3千米每小时的速度下奔跑两个多小时，或者背负3千克的电池跑10千米。
今年，Cheetah机器人在性能上又有了一个质的飞跃，那就是它可以在不间断步伐的情况下，不论有多少个18英尺高的障碍物，它都可以轻松越过。而这次的提升也主要是因为 Cheetah机器人具备了视觉系统 ，下面我来说说他是怎么完成越障这项比较有难度的动作的。
Cheetah机器人可以“看见”的能力，主要得益于其使用的机载激光雷达，这套可视化系统使用反射激光来绘制地形。
基于雷达数据，该团队开发了一个三部分组成的算法来规划出机器人的路径。 无论是视觉系统和路径规划系统都是嵌入到机器人的本体里面的，以使得它具有完整的自主控制能力。
该算法的第一个部分能够使机器人检测到障碍物并估计其大小和距离。研究人员设计出一个公式来简化出一个视觉场景，其将地面表示为直线，而任何障碍物均是从这条直线偏离出的一条岔路。利用此公式，机器人可以估算出障碍物的高度和以及到其本身的距离。
一旦机器人检测到一个障碍物，该算法便进入其第二个部分，以使机器人在接近障碍物的过程中调节它的步态。 根据障碍物的距离，算法可以预测出以跳跃的最佳位置，前腿离地，然后后腿跟着完成越障的剩余步伐，加速，然后到达最佳的落地点步伐放缓，最终安全地越过它。该“步态调整算法”一直在高速运行，每走一步都要对机器人的步幅进行优化。优化过程大约需要100毫秒来完成，这也大约是完成一个单步幅一半的时间。
当机器人到达落地点，该算法的第三部分接管，以确定它的跳跃轨迹。根据障碍物的高度，机器人的速度，研究人员提出了一个公式来确定机器人的电动机应当施加的力的大小，以使得Cheetah机器人可以安全地越过障碍物。
但是有趣的是，研发人员说，这个算法并不是最优的，只是一个可行的方法。研究人员指出，如果你想优化，比如说能源效率，你会希望机器人几乎没有越过的的障碍，这显然就成了悖论。而且找到一个真正的最佳解决方案需要占用大量的计算时间，在运行时，我们不希望花费大量的时间去寻找一个更好的解决方案。我们只是想一个是可行的。
研究小组首先在跑步机上测试了Cheetah机器人的弹跳力，然后在轨道上。在跑步机上，机器人被拴在一个地方，研究人员将不同高度的障碍放在皮带上。跑步机本身只有约4米长，机器人在中间运行，所以Cheetah机器人只有1米的距离以检测障碍物并规划出其跳跃动作。多次运行后，Cheetah机器人成功越过了70％左右障碍物。
相比较而言，在室内轨道试验就要容易得多，因为机器人有更多的空间和时间，看到障碍物并规划跳跃动作。在这些试验中，Cheetah机器人成功越过了90％左右障碍物。
4、 MH24挥刀机器人
不知道大家还记不记得今年6月份的时候，火爆朋友圈的一段机器人和日本武士比试刀法的视频。接下来我们就来说一说这款挥刀技法精湛的机器人。
（MH24 挥刀斩花视频 截图，额，花花都不放过）
今年夏天，为了纪念公司成立百周年，日本安川电机组织了一场自家的工业机器人Motoman-MH24与剑道高手町井勋的终极“挥刀斩”对决，对各种道具进行劈砍。
说起町井勋，他可是连创多项世界纪录的居合道（即以“拔刀术"为基础的武术）名家，曾创下36分5秒刀砍1000卷草席的世界纪录，对曾斜斩竖放的卷席，最多连砍7刀而令卷席仍然竖立不倒。最令人叹为观止的是，他甚至能刀劈高速飞来的BB弹，这种BB弹比棒球小4000倍，发射的初速每小时高达322公里。以一般人的反应，根本不可能跟上如此高的速度，更不用说完成拔刀和挥刀的动作。
这次人机大战的另一方——Motoman-MH24工业机器人，它除了会挥舞武士刀，还可以驾驶沙滩车，爬楼梯，躲避障碍以及应对其他突发事故。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
工程师们将町井勋的动作植入“MH24”的记忆晶片里，使得机器人可以随即“遗传”到其精准的动作要领。
“MH24”的剑术十分了得，除了切水果之外，他还能挥刀将一只在空中翻转的、时速达128公里的油炸大虾切成两瓣。“MH24”如今已获得多个剑术方面的世界纪录。
其实 机器人和人类比赛剑术只是一个表象，深层次的技术表现还是在机器人对人类动作的模仿以及完成动作的精准性。
我们从视频上可以看到， 首先MH24会对町井勋的挥剑动作进行模仿，这便涉及到 动作捕捉技术 。技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由Motion capture系统捕捉跟踪器位置，再经过计算机处理后得到三维空间坐标的数据。
当数据被计算机识别后，可以应用在动画制作，步态分析，生物力学，人机工程等领域。 这项技术目前主要在各大科幻电影中被广泛用到，而机器人要想对町井勋的挥剑动作进行模仿就需要获得他动作的各项数据，这些数据的采集目前主要的方法是惯性导航式动作捕捉，通过惯性导航传感器AHRS（航姿参考系统）、IMU（惯性测量单元）测量表演者运动加速度、方位、倾斜角等特性。不受环境干扰影响，不怕遮挡。捕捉精确度高，采样速度高，达到每秒1000次或更高，这些都是惯性导航式动作捕捉的优点。
由于采用高集成芯片、模块，体积小、尺寸小，重量轻，性价比高，惯导传感器可以佩戴在表演者头上，或通过17个传感器组成数据服穿戴，通过USB线、蓝牙、2.4Gzh DSSS无线等与主机相联，分别可以跟踪头部、全身动作，实时显示完整的动作。
计算机对人动作数据的采集仪图形化的方式展现在电脑上。
另一个就是机器人动作的精准性，而这也是一个机器人重要的指标之一。我们知道， 目前机器人的主要应用领域是工业机器人，在机器人对零件的装配过程中，精准性是必须要具备的。 可想而知，机器人要想拧上一个螺丝，可是连位置都找不到，那可是很危险的。我们从视频中可以看到，MH24在切豌豆那么薄的东西的时候都能一刀斩，可见其精准性是十分优秀的。
好了，2015年那些优秀的大型机器人就介绍到这里，如果你要觉得不尽兴，我会在下篇介绍2015年那些优秀的机器人小精灵们。