你曾经用谷歌(Google)搜索过“robotics(机器人技术)”这个词吗?搜索结果中排在前100位的唯一主要公司和产品是微软及其一种被寄予厚望的开发工具——Robotics Studio。(就本文所调查的十多个人中没有一个人使用这种工具)。实际上,大多数搜索结果包括新闻、大学研究、教育以及事件。

不过,韩国商务、工业和能源部2006年预计全球智能机器人技术市场到2015年将接近900亿美元(2005年只有几十亿美元),增长率达到57%。ABI研究公司(www.abiresearch.com)在1月份进行的一项最新研究显示,个人机器人市场(包括玩具机器人如索尼公司的Aibo,以及基于任务的机器人如iRobot公司的Roomba)将在2015年达到150亿美元。

如果这还不足以打动潜在企业家的话,对有关实现机器人的技术,下面这两个铁的事实肯定有说服力。第一个是,许多专家称确实将来有一天每个家庭里都会有一个机器人(想想吧,像人类似的,而非那种华丽而空洞无物的东西)。第二个是,人们没有留意的大人物们已经开始在幕后布局,在谋求获取多达数十亿的收益。

事实的确如此。世界上的微软们和英特尔们正在瞄准未来,试图在午餐时间到来之前,就做好分食的准备,急切地在谋划通过汲取各种机器人技术而将其“聚集起来”,一小份残渣都不想放过。

没有任何一家公司能击败现有的半导体和软件巨头们。但是,如果想建立机器人技术方面的公司而持如下唯一策略,就是,当人家在你面前扔些钱后,然后你就加入到他们中间去,这又怎样呢?应该把焦点放到哪种机器人技术上才能被大老板们注意到,而不是以被征服而结束?

大多数专家都会同意四种可行技术和研究领域是很好的出发点:廉价的传感器、牢靠的应用程序接口(API)、便宜的套件和人工智能。“假设有一个个人用移动的、安全的、智能机器人。但如果价钱是10万美元,那么会有人买吗?机器人中使用的机电元件成本相对于各种传感器、传动装置等等,仍然非常昂贵”,弗吉尼亚理工大学的“机器人技术与机械实验室(RoMeLa)”主任Dennis Hong说。

Hong又称,“我们在70年代早期个人计算机革命中就可以看到这一点。只有元件成本下降,个人机器人技术作为一种商业才会成功。我能想到的唯一成功的例子可能是IRobot的Roomba。”

价格合理的传感器

如果没在一家大公司或大学的研发团队工作,很可能只想想机器人技术应用所需要的某些传感器就很烦人,特别是在需要一个或多个激光传感器时。移动性是主要驱动因素之一。

Hong说,“现场机器人(户外机器人)要有用的话(如处理炸弹、搜寻和营救、科学探索),就要能穿越岩石、山丘、突出地块,还要穿越丛林等。如果不能,就没有用。对于个人机器人(家用,室内用),虽然环境更加体系化,但仍然需要攀爬阶梯等。”

欧林学院机械工程副教授兼学院“工程高级咨询项目”主任Dave Barrett说,“(机器人技术)行业需要可以用得起的实际鲁棒性的传感器。”

如果看看去年的“DARPA城市挑战”,就不会觉得惊奇。采用机器人技术的无人驾驶轿车,在城市道路上, 6个小时或不到6个小时内行驶60英里,同时还遵守交通规则并应对其它交通状况和障碍。11个决赛者中的7个采用了Velodyne HDL-64E光雷达(LIDAR)传感器,每个价格约7.5万美元(见图1)。

不过,如果汽车工业要随着建造能自己驾驶自己的轿车而发展,就需要这样的传感器,根据Sebastian Thrun在元月份国际消费电子展上所指出的,每年大约能挽救因人为错误引起的车祸造成的4.2万个生命损失中的一半,Sebastian Thrun是2007年“DARPA城市挑战”亚军斯坦福大学队领导人之一。

没有几个人能买得起甚至只装有一个Velodyne HDL-64E传感器的汽车。想想就消费者的钱袋子怎么能弄到能自行驾驶的汽车?据Barrett称,真正需要的是带有良好彩色相机并且背后有强大计算机支持的视觉系统。

此外,据本田高级“步行创新移动机器人(ASIMO)项目”一主任工程师Todd Dickey说,当前声音探测正受到大量关注。在周围有大量噪声的大环境下,要确定哪些(声音)是针对机器人的很困难。”

因此,本田在研究机器人如何在其它声音环境中确定针对它的声音方面花费了大量的金钱。对人类而言,这可能简单得就像作个眼神接触或者在对话后用某些其它姿势这么简单。对机器人,至少在目前,可能需要更多,如叫机器人的名字。

本田的研究者们也正在考察更高分辨率且更精确的相机。据Dickey称,来自日本的最新消息表明,ASIMO能快速区分人或物体并相应作出反应。

谈到日本,大阪大学Hiroshi Ishiguro博士提出了他认为需要改进的地方:“传动装置与人体肌肉差异非常大,需要更像人体肌肉的传动装置。为此,传动装置需要作得更加线性并且不能依赖于减速齿轮。”

但是传感器不是机器人技术缺少的唯一硬件。c-Link系统公司CEO William Lovell说,“就细节而言,现在没有很多电机驱动器,这一领域由STMicroelectronics公司主宰着。”

他同时指出,c-Link希望有更多的H桥,公司目前正在自己制造。对一些其它功能,Lovell说“有带温度监测的现货H桥会很好”。

当然,下来就是软件。

求购:机器人技术API

对于机器人技术,各公司正在一次次重新建造同一个捕鼠器,特别是在软件方面。但机器人科学家没注意到,许多重新建造是源自缺少任何种类象样的机器人API。

对写的非常好(期望是基于委员会标准的开放源代码)的API,得到机器人任务(如运动和旋转)的描述难道不可行吗?当然,麻烦的事是细节。但为什么像iRobot这样的公司需要自己开发所有代码?

如果进行适当编码,难道像绘制一个区域的地图和避免物体这样的事不能划分为一组函数,用到各种区域和环境下?据本田公司的Todd Dickey说,在工业机器人中对优秀机器人技术API的需求特别紧迫,工业机器人中各个软件包和用户接口都不相同。

国家半导体公司(NI)似乎最接近完成为针对这一目标的API,据NI学术产品营销工程师Anu Saha称,在年底以前,应能在NI的 LabVIEW产品中出现。首个API将针对NI向各开发者交付的众多传感器。

其动机很简单,像Saha表示的:“没有标准工具,人们在用C和C++写自己的代码,需要的是能以人-机器人接口(HRI)(的形式)表达电机语言的工具。”

NI同时相信与FPGA相容的设计环境很理想,原因是开发机器人时,FPGA很容易得到。Saha在描绘LabVIEW在机器人开发中的角色时表示,“有一些差距,但所有元件都能协同工作是个好开端。”

Barrett说,“如果看看各种软件,有许多学术(代码)是用C/C++写的,令人费解。”机器人技术显然是学科交叉的,某些机械工程师并不厌烦C/C++,因此强大的设计环境也很理想。他说,“像LabVIEW这样的产品提供了机械工程师能够成功而不是得挣扎的环境。”

Barrett还表示,“LabVIEW为框图和实体之间的差异架起了桥梁。”微软推出了Robotics Studio,此软件不是十分与LabVIEW等同,因此更小一些的公司有很多机会被微软抢走。

不要再变戏法了

机器人像高尔夫一样,可能会是一个十分昂贵的嗜好,许多DARPA挑战者认为踏进门就至少得有100万美元。因此,把各种机器人套件的成本降下来是个相当重要的目标。

甚至Lego Mindstorm NXT机器人套件都是一个昂贵却不起眼的东西,其在lego.com上的零售价格为250美元。尽管如此,这一非常不错的针对10岁及以上孩子的学习工具包括了某些相当复杂的功能,包括有4种类型传感器(光、声、触觉以及超声视觉)以及3个交互式伺服电机。

套件还拥有一个基于32位ARM7TDMI RISC处理器的Atmel AT91SAM7S256微控制器;一个Atmel ATMEGA48组合4k字节闪存,512字节SRAM;一个256字节EEPROM;一个8通道,10位模数转换器(ADC)(见图2和图3)。www.electronicdesign.com, ED Online 16149上的“The Mind Of Mindstorms”(“头脑风暴”)中有更多Mindstorm套件的信息。

人工“智能”

大多数情况下,我们甚至似乎得不到一个通用计算平台来完成需要进行的工作。虽然机器人科学家多年来取得了令人注目的进步,仍然有许多工作要做。实际上,据Dickey表示,“AI是当前机器人技术研究最多的领域。”

Ishiguro和他的大阪大学适应性机器系统系的研究小组正在试图将认知研究用于使实现机器人有与人类类似的行为。据Ishiguro称,这是到目前为止最困难的仿人机器人开发领域。

Ishiguro说,“要(实现)模仿人类行为,软件的时间进度表非常具有挑战性。”不过他仍然觉得在接下来的5年间其小组能够开发出“某些合理的东西”。但是甚至要对其进行完善更像是50年之后的事了,Honda 和Ishiguro都认可这一时间数(见“问题是,要几乎人类化还是不要”,ED Online 14763)。

Hong 说,“除非是遥操作,机器人是需要聪明的。即使是遥操作,机器人仍然需要表现出某些自动行为,这样才能有用处。“DARPA城市挑战”是应对开发智能机器人中的挑战的一个很好的例子。机器人汽车需要在一边应对城市交通并遵守所有规则的情况下,自行驾驶。CMU(卡内基梅隆大学)、斯坦福大学以及弗吉尼亚理工大学是这一工作努力中前3个领先团队。

简单之至,老友

2015年及其潜在收入并不像看起来那么遥远,因此现在青年人就要涉足机器人技术。不过,几乎没有几个学院和大学设有专门针对机器人技术的学士、硕士或博士项目。

伍斯特理工学院设有机器人技术工程学士项目。佐治亚理工学院设了第一个学科间机器人技术博士项目。还有其它项目,如卡内基梅隆大学一工程学位包括的机器人技术辅修课。此外,还有几个分轨制课程和班,再没什么了。

正因如此,所以像Dean Kamen的灵感与认知科学与技术(FIRST)这样的项目如此重要(见图4),此项目的影响惊人。FIRST项目目前有近40个国家的15万名6到18岁的学生和4. 4万名导师参与(见ED Online 18106 ——“年轻的工程师们需要你!”,以及“深入探究”的ED Online 18476的“在FIRST赛中笨海龟队获得第2名”)。

危险,注意

我们知道,机器人技术将在未来发挥很大作用,但不清楚会怎么发展。谁会来将其成本降下来?美国联邦政府似乎是候选角色。

其它许多国家政府已表示出了愿意通过研究和开发活动,付出费用来将成本降下来,此方法与多年将GPS技术费用降下来的方法非常相似。例如,到目前为止,日本政府为仿人机器人技术项目第一阶段勉强投入了近4200万美元。

像本田和其它大型公司正在自己开发机器人技术,他们一旦将所有指南都制订出以后,计划将其技术外包给第三方。因此,机器人技术的未来是光明的。唯一的问题是谁能快速提高并进行生产。

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