【 2018 世界機器人大會】軟體機器人發展的幾個關鍵問題

【 2018 世界機器人大會】軟體機器人發展的幾個關鍵問題

▲軟體機器人發展的幾個問題。(圖/翻攝自雷鋒網,下同)

【原文:《機器人太「硬」了?軟體機器人了解一下 | WRC 2018 》,作者:王金旺,智慧機器人網編輯整理】

文、圖/雷鋒網

軟體機器人發展的關鍵問題

軟體機器人的發展需要仔細考慮以下幾個問題:

首先,從學術角度來看,既然做軟體機器人就需要軟體材料,也會給你柔性互動的本體,裡面可能有剛體,也有可能有像人一樣的骨骼,剛體之間也有可能產生運動,我們在其中加入鉸鏈機制;二、軟體當中可以加入一些分佈性的驅動器和傳感器,如果有分佈性的驅動器和傳感器,柔性機器人的性能就會變得更好;三、只有剛體骨架作為傳感,外面的肉體是被動的皮膚和肌肉,互動性會低一點。

總體來講,從學術角度來看,我們要把軟體機器人看作和人一樣的結構。其中會有很多問題,比如怎樣做這些東西,最終還要看它能夠給你的功能和性能。我們需要知道它的運動是手、是腳,還是車子,要看最終結構做成什麼樣。如果是一個手,我們就需要設計手指,讓手指抓取物體;如果是一個驅動,就要做成腳。軟體的部分需要包含在機器人的設計、傳感和控制整體的框架當中,現在基本上沒有很好的運動學理論,實際應用中仍然是把剛體運動學搬到柔性體當中

個人覺得我們需要從最基礎的角度來看軟體機器人,主要有三大問題:

(1)如何定義柔性系統(軟體機器人系統)。機器人畢竟是要做運動的,剛體運動學通過機械原理可以解決,軟體相關運動理論現在還沒有。

(2)如何設計/控制柔性系統。我們不可能用鉸鍊和傳感來解決如何從軟體機器人當中產生運動,以及更複雜的怎麼控制運動。控制便成了非常麻煩的事情,因為有無窮多的自由度,要看怎麼驅動軟體機器人系統,最終怎麼做到很好的控制。

(3)柔性系統製造的材料問題。今天我們遇到最主要的問題就是軟體機器人的材料的問題,材料給了我們很大的局限性,我們沒有很好的軟體材料真正來做最終想要做的軟體結構。

軟體機器人系統

上圖是軟體機器人系統,如果上面有軟體機器人的結構,需要有設計方法,然後要有模型,產生動態方程,最終可能有局限性的傳感,不是每個自由度都有傳感,然後用傳感系統來做控制,從而產生控制系統。其中最難的是要看什麼設計、什麼架構能夠產生人類需要的軟體機器人,軟體機器人需要完成什麼任務,怎麼去實現這些任務,因而需要做運動規劃或任務規劃,然後再加上具體的動態系統,產生合適的控制,最終才能設計出實用的軟體機器人。

理論上來講,需要解決的就是這些大框架問題,但認真做起來就不是那麼容易了。不過已經有人在虛擬空間中解決了這些問題。做計算機圖形的工程師已經想到了這些問題,並做出了一個虛擬的軟體機器人,它的性能完全是你需要的。其中,上面是一塊很軟的材料,下面有四條腿,如果有理想驅動器就能實現跳動。

這個軟體機器人在虛擬環境當中完全能夠實現平衡和跳動,以及做各種其它動作。從仿真角度來講,理想系統中的軟體機器人已經實現了。但是模型是理想的模型,材料可能是線性的或非線性的,驅動能夠產生力,控制系統當中的控制方程和控制方法都解決了,加上仿生設計和運動規劃、任務規劃都是用傳統的機器人設計方法解決的,這種理想的、模擬的圖形學軟體機器人並沒有變成現實。變成現實仍需要找到材料、驅動器和傳感器,都要和模型完全匹配,這在現在來說仍然無法實現。

軟體機器人的市場潛力

雖然軟體機器人在醫療、國防和急救領域有需求,但是真正最大的市場還是玩具,而且對行業最感興趣的還是迪士尼,迪士尼投入了很多資金,但仍然很難實現。要找到一個合適的非線性模型,能夠把這些軟體材料描述得很確切很難;如果非線性更強的話,做控制和其它設計也很難。

現在大家非常期待的是通過 3D 列印來尋找適用於軟體機器人的材料。 3D 列印的迅速發展給我們帶來了一些機遇,我們可以把不同性能的材料混合起來使用,最終透過 3D列印得到比較複雜的柔性系統(例如機械手指和機械腿)。

我們做的 3D 列印的手指可以用來抓蘋果、抓雞蛋、抓豆腐,但真正用起來就會有嚴重的問題。現在這種利用 3D 列印實現的柔性手指還是很柔軟,抓起物體快速移動時,發現手指會抖動,也就是沒有剛性。又要柔又要剛,所以就有性能變剛度,這種性能在柔性機構或者機器人中還是非常有限的,這也是一個比較嚴峻的問題。

軟體材料的需求

平常機器人用的基本都是馬達、氣動或液壓,因為這是傳統大功率機器的驅動動力,要是應用到軟體機器人的話,我們自然希望用軟體的材料作為驅動器。最關鍵的軟體材料就是壓電塑性材料,這類材料有點像矽膠,通電後會擴展和延伸,例如,最簡單的驅動器就是做一個氣球,氣球加了氣壓後會膨脹,膨脹會帶來動能,也就被認為可以作為驅動器。

原來的想法就是把這些驅動器做得很好,然後分佈性地放到軟體機器人結構中,每個驅動器都可以獨立控制,這樣就有分佈性控制來做驅動,性能也會好得多,但是做起來並不容易。最近的做法是做成一個隊列,驅動的時候會產生一些波,最終可能會帶來各種效果,我們做的就是類似踢足球的東西。通過這種驅動器做到最好的效果也不過如此了,至多是驅動一條很小的魚尾巴,抖動大概有4-5赫茲,頻率也不會太高,力也不會太大,無非就是變形比較大。

現在行業當中對軟體機器人來講,驅動材料是很大的瓶頸,氣體驅動、液體驅動和壓電驅動效果都不是很好,怎麼才能有很好的驅動器才能幫助軟體機器人的發展,這也是個很嚴峻的問題。

軟體機器人發展三大關鍵問題

說到最後,現在來看仍然沒有一個路線圖能夠把軟體機器人怎麼發展理順,實際上存在三大問題:機械運動原理、剛性結構、驅動和反饋。最終要有理論幫助設計,還要有理論幫助來做任務規劃和路徑規劃。因為材料的局限性太嚴重,驅動的可行性太小,設計的方法基本上沒有,所以現在大家能夠做的就是做案例分享,想到好的辦法就做好拿出來給大家看,把可行性向前推進一步。軟體機器人要越來越多,小問題都有多多少少的進展,慢慢地這些成功的案例和經驗能夠融合在一起,使得軟體機器人在理論上有所發展。更重要的是要有適合做軟體機器人的材料,才有可能給我們提供更好的空間,更適合軟體機器人發展。

今天有很多做塑性材料的公司,但對軟體材料基本不理解,認為我們沒有市場,因為我們需要幾公斤就夠了,他們需要看到的是幾百萬噸需要的材料,沒有那麼大的規模,這些做塑性材料的公司不會在短期內幫我們的忙。個人認為前景應該是很好的,但道路還是比較漫長的。

【原文:《機器人太「硬」了?軟體機器人了解一下 | WRC 2018 》,作者:王金旺,智慧機器人網編輯整理】

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