最近在瑞典斯德哥爾摩召開的“國際機(jī)器人與自動化大會”(ICRA)向世人展示了該領(lǐng)域最新的設(shè)計和創(chuàng)意理念，從飛行運(yùn)輸,、環(huán)保檢測、工業(yè)制造到休閑生活娛樂,，形形色色的機(jī)器人幾乎覆蓋了生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。

　　不過,，外行看熱鬧,，內(nèi)行看門道。美國電氣與電子工程師協(xié)會(IEEEE)從專業(yè)角度,，介紹了會展中的20種機(jī)器人技術(shù),，設(shè)計重點在于以創(chuàng)新方案解決目前機(jī)器人應(yīng)用中的一些難題，主要集中在控制,、傳感,、驅(qū)動、操作,、抓握,、義肢、人形機(jī)平衡,、外骨骼,、飛行取物、人工智能,、虛擬現(xiàn)實,、組織微型機(jī)器人團(tuán)隊等方面。

　　1.以視覺觸須傳感來校準(zhǔn)制圖——仿生觸須機(jī)器人

　　對于那些要在現(xiàn)實世界中長時間工作的觸覺機(jī)器人系統(tǒng)來說,，能自動糾錯校準(zhǔn)是其保持長期穩(wěn)定的前提，Bellabot就是這類機(jī)器人,。它像個由許 多“眼球”組成的大“復(fù)眼”,，每個“眼球”伸出一根仿生觸須，由電動人造肌肉驅(qū)動,，通過攝像機(jī)提供視覺錯誤反饋,，還有一個標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)機(jī)器人操作臺。

　　研究人員給它安裝了模擬小腦功能的適應(yīng)性過濾模型,，通過視覺觸須傳感圖來校準(zhǔn)操作誤差,，提高操縱機(jī)器人定向運(yùn)動的精確度,。操作容錯度或傳感陣列損害都可能造成圖像缺陷，Bellabot能通過學(xué)習(xí)算法不斷調(diào)整傳感圖中的缺陷,。

　　2.筋線驅(qū)動結(jié)構(gòu)靈活——彈性仿人類脊椎

　　人類脊椎由韌帶,、椎間盤和肌肉來保持穩(wěn)定性，強(qiáng)度高且轉(zhuǎn)動靈活,，模仿這樣的性能有利于機(jī)器人在未知環(huán)境中保持機(jī)械穩(wěn)定性,。為此，研究人員提出一種基于有機(jī)硅和筋線來驅(qū)動的連續(xù)機(jī)制,。

　　這種機(jī)制可用作機(jī)器人的頸部或軀干,，更多集中在頸部。為了驗證各項功能,，研究人員設(shè)計了一個多自由度樣機(jī),，通過彈性筋線模擬人類頸部運(yùn)動，有助于將來設(shè)計機(jī)器人頸椎,，還可作為一種測試平臺,，開發(fā)類似機(jī)械的控制方案。

　　3.共同承擔(dān)重負(fù)荷——微型機(jī)器人團(tuán)隊

　　這是個由許多小機(jī)器人組成的團(tuán)隊,。研究人員提出了一種簡單的統(tǒng)計模型,，能預(yù)測團(tuán)隊的總體最大拉力，估算每個小機(jī)器昆蟲與地面互動的功能總和,，比如在地面跑或走,。

　　通過實驗檢測了三個團(tuán)隊，一種是以剛毛推進(jìn)的小爬蟲,，一種是會慢走和快跑的6腳小昆蟲,，還有一種通過兩個輪子運(yùn)動的17克重微型多足機(jī)器人μTug，它們能共同承擔(dān)重負(fù)荷,。比如每個μTug能在自身限制內(nèi)運(yùn)作,，6個一組產(chǎn)生的拉力就能超過200牛頓。

　　4.筋線驅(qū)動抓握多種物體——可穿戴聚合物手套

　　這是一種由聚合物材料制造,、筋線驅(qū)動的可穿戴機(jī)器手套,，目前可套在拇指、食指,、中指和手腕上,，也叫做外手套體(Exo-GlovePoly)。在設(shè)計和制造上,，這種外手套體還能根據(jù)不同人手的大小做調(diào)整,，保護(hù)使用者不受傷，而且透氣性好，能嵌入特氟龍管來裝置線路,。

　　它有兩個馬達(dá),，一個在拇指，另一個在食指或中指,。研究人員讓一個健康志愿者做抓握實驗,，測試手套的機(jī)械性能，通過連接型壓力傳感器和驅(qū)動機(jī)制,，能抓握不同形狀和大小的物體,。

　　5.能與環(huán)境互動保持平衡——有腿機(jī)器人TORO

　　有腿的仿人機(jī)器人要能執(zhí)行多種任務(wù)。它們要能與環(huán)境互動,，遇到外部障礙時能扭轉(zhuǎn)身體,，同時還要保持穩(wěn)定協(xié)調(diào)的平衡。

　　為此,，研究人員提出一種新的控制方法,，把多級別控制和平衡結(jié)合。他們在仿人機(jī)器人TORO身上模擬了這種方法,。為了達(dá)到恰當(dāng)平衡,，先把所有的任務(wù)力/力矩分配到終端受動器，然后按照任務(wù)級別映射到連接空間,。

       6.多模式飛行取物——帶自動吸盤的飛行器

　　研究人員給這款飛行機(jī)器人安 裝了他們的專利技術(shù)——自動緊密吸盤,，同時考慮了負(fù)載真空泵等因素，解決了多模式飛行取物的難題,。利用吸附原理和局部接觸拉力,，以被動驅(qū)動的方式抓取不同 形狀的物體。這種自動吸附“抓手”還能用一個或多個吸盤,，讓飛行器在抓取攜帶物體方面變得“多才多藝”,，比如先抓住一個不放，然后再抓第二個,。

　　研究人員指出,，飛行器一般對重量限制非常敏感，他們用了微泵真空發(fā)生器,，但這給系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn),。為了克服這些難題，他們測試了吸盤設(shè)計有無 任何漏縫,、驅(qū)動力,、最大抓握力，還測試了每個“抓手”零件的性能,、飛行器把力道傳遞給吸盤的能力、系統(tǒng)吸附傾斜表面的能力，最后測試了飛行器用多個吸盤抓 取多個物體的能力,。

　　7.能自行移動的“松樹”——TransHumUs移動機(jī)器平臺

　　TransHumUs出現(xiàn)在最近舉行的第56屆威尼斯雙年展上,，是游蕩在法國館和綠堡公園的三棵會動的松樹，原意是將樹木從其固定的根部釋放,，展現(xiàn)自由生命的力量,。

　　TransHumUs證明了先進(jìn)的移動機(jī)器人技術(shù)還能對當(dāng)代藝術(shù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。在此次機(jī)器人大會上,，研究人員從技術(shù)角度揭示了如何讓松樹自由移動,。其難點在于設(shè)計初始的機(jī)器平臺，讓樹木能根據(jù)自身的新陳代謝移動,。

　　8.能還原陰影區(qū)隱藏的形狀——新型場景工具

　　用機(jī)器人來進(jìn)行移動繪圖時,，要生成交互式靜態(tài)地圖會受到臨時出現(xiàn)的物體干擾，如過往車輛,、行人,、自行車等。對此,，研究人員的解決方案是利用一系 列激光點云,，填充移動物體在現(xiàn)場造成的濃密陰影空缺。對于那種資源受限,，只允許單向映射繪圖的特殊地方,，這種場景工具非常有價值。

　　研究人員利用一種復(fù)雜的專業(yè)TSDF函數(shù)在三維像素網(wǎng)格中處理激光掃描,，然后用總變量(TV)調(diào)整因子結(jié)合一種專業(yè)術(shù)語的數(shù)據(jù),，插入丟失的表面圖形。研究人員稱,，這項技術(shù)能填充約20平方米被移動物體掩蓋而丟失的面積,，重建后誤差范圍為5.64到9.24厘米。

　　9.指尖上的類傳感器——多手指的集成控制機(jī)器手臂

　　雖然目前這個機(jī)器手臂只有3根手指,，但每個手指能獨(dú)立運(yùn)動,，極其靈活。研究人員利用裝在指尖的類傳感器,，設(shè)計了一種集成控制的機(jī)器手臂,，將手指、手和手臂結(jié)合成一個控制整體,，能用抓取目標(biāo)給指尖定位,，迅速控制整個手臂的位置和姿勢。

　　當(dāng)手的位置和姿勢出錯,，無法只通過指尖運(yùn)動控制時,，可以通過手臂來調(diào)整錯誤,，變得更平衡后跟隨指尖抓取目標(biāo)。這種設(shè)計可防止抓取失敗的情況,，比 如抓物體時卻把目標(biāo)碰到一邊,，或者把物體碰翻在地?？刂剖直酆褪诌€能矯正幾厘米的位置誤差,，比如放在工作臺上的某個物體，其位置相對于機(jī)器手臂是不確定 的,，可以裝上像Kinect那樣廉價的光學(xué)傳感器,，只需提供較粗略的圖像數(shù)據(jù)，就能讓它抓住目標(biāo),。

　　10.逆向運(yùn)動學(xué)加六自由度新設(shè)計——靈活如蛇的手持機(jī)器臂

　　這種手持機(jī)器臂是一種新的6-DoF(六自由度)電纜驅(qū)動任務(wù)操作桿,。利用一對結(jié)合的筋腱，讓機(jī)器臂的運(yùn)動模式基本實現(xiàn)了最優(yōu)化,，擁有最大的速度和最大的空間配置,，同時減小了手臂的總體質(zhì)量。

　　逆向運(yùn)動學(xué)方案是把6-DoF問題分成了2個3-DoF問題,，逐級分解再把結(jié)果合并,，展示的機(jī)器臂有一個關(guān)節(jié)是冗余的，其實是一種5-DoF方 案,。這種空間挖掘式設(shè)計最終使整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最大,，而連接關(guān)節(jié)質(zhì)量最小。這種設(shè)計還能改善非手持式筋線操作桿,，把每個自由度所需的驅(qū)動器減少到1個,。它可用 于環(huán)路控制，幫機(jī)器人更容易接近目標(biāo),。

　　11.輕質(zhì)低能耗控制板和彈簧驅(qū)動器——最舒適的外骨骼

　　在外骨骼設(shè)備中,，控制板能提高彈簧或驅(qū)動器的性能。研究人員設(shè)計了一種質(zhì)量輕,、耗電少的控制板,，用來控制外骨骼腳踝部位的彈簧。這種控制板是兩 張薄薄的電極片,，涂有一層介質(zhì)材料,，通過靜電吸附在一起。每片僅重1.5克,，可承受100牛頓的力,，能在不到30毫秒內(nèi)改變狀態(tài)。

　　研究人員把控制板和彈簧串聯(lián)在一起,，每個控制彈簧重26克,，再將多個彈簧并聯(lián),，可以分別調(diào)整它們的硬度。通過調(diào)整彈簧數(shù)量,，系統(tǒng)可以產(chǎn)生6個級別的硬度,，力度從14到501牛頓。

　　12.差異給料控制邊角匹配——會自動調(diào)整布料的縫紉機(jī)

　　這是一種用在自動縫紉系統(tǒng)中的新型控制方法,，能獨(dú)立控制縫紉單位的給料，幫助縫紉機(jī)匹配布料邊角部分,，適應(yīng)材料形狀的不確定和長度變化,。利用這 種控制方法，可以通過端點檢測,，獨(dú)立控制上下兩部分的給料速度,，使兩塊布料保持對等。研究人員同時還提出了不同的矯正誤差方案,，并進(jìn)行了實驗,。

　　13.與虛擬現(xiàn)實結(jié)合——空間引導(dǎo)定位機(jī)器臂

　　這是一款利用虛擬現(xiàn)實(VR)或增強(qiáng)現(xiàn)實(AR)眼鏡執(zhí)行定位操作的解決方案。在這一設(shè)計中,，研究人員解決了如何提供信息反饋,，引導(dǎo)手持機(jī)器臂 完成空間定位的任務(wù)。把前面介紹的6-DoF或5-DoF手持式機(jī)器臂和VR或AR立體眼鏡結(jié)合,，眼鏡視域中會出現(xiàn)一個箭頭標(biāo)記,，指示人工操作桿和機(jī)器臂 應(yīng)該到達(dá)的位置，通過比較實驗,，用機(jī)器臂定位操作比人工操作桿效果更好,。

　　14.通過五萬次實驗學(xué)習(xí)挑選物品——人工智能管理

　　這款人工智能模型利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷探索人類標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫，通過5萬次抓取實驗,，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)預(yù)測抓取位置,，選擇抓取特定的目標(biāo)物體。

　　15.閉路控制的接觸變形膠體——新型觸覺變形表面

　　在以往用于觸覺和柔軟機(jī)器人中的顆粒膠體設(shè)備中,，形狀變化通常由人來直接控制,，是開放式的。研究人員展示的新型觸覺膠體表面,，由12塊排列在一 起的膠體單位組成,，能統(tǒng)一改變形狀和力學(xué)性質(zhì)。他們設(shè)計了一種新算法,，在這種觸覺膠體表面上測試了三種驅(qū)動命令,，并通過傳感器提供的深度圖，監(jiān)視閉路控制 的形狀變化,。

　　16.“向日葵”式太陽能電池板——雙軸機(jī)器人平臺SoRo-Track

　　SoRo-Track模型是一種雙軸的柔軟機(jī)器人驅(qū)動器(SRA),，可以像向日葵那樣隨陽光改變方向,，作為一種自動調(diào)節(jié)的光伏太陽能電池支持平臺，并能與建筑物結(jié)合在一起,。

　　研究人員指出,，與傳統(tǒng)驅(qū)動器，如直流馬達(dá),、水壓發(fā)動機(jī)或氣壓活塞相比,，SRA系統(tǒng)越來越受歡迎，其品質(zhì)柔軟,、形態(tài)簡單,、功率重量比高、抗干擾性強(qiáng),，能適應(yīng)外部振動和不利環(huán)境條件,，而且設(shè)計靈活，容易調(diào)節(jié),，成本較低,。

　　17.結(jié)合三個旋轉(zhuǎn)掃描鏡的旋鏡3——超廣角高速監(jiān)控器

　　旋轉(zhuǎn)鏡是一種新型光學(xué)高速監(jiān)控器,，克服了以往高速監(jiān)控器視野范圍(小于60°)的限制,。最新一款稱為旋鏡3,，由3個自動旋轉(zhuǎn)鏡組成,，能實現(xiàn)超廣角監(jiān)控,，理論視野范圍達(dá)到360°,。

　　根據(jù)這一機(jī)制開發(fā)的旋鏡3樣機(jī),，平面方向的實際視野范圍超過260°,，能在10毫秒內(nèi)快速反應(yīng),。此外,，樣機(jī)結(jié)合了1000英尺/秒的高速視覺系統(tǒng)，能實現(xiàn)高速跟蹤監(jiān)控,。研究人員專門開發(fā)了視覺跟蹤算法,，能毫不費(fèi)力地跟蹤抓拍到被兩個人打來打去的乒乓球。

　　18.上下盤旋,、翻滾自旋樣樣行——全方位飛行器模型

　　研究人員通過靜態(tài)力和力矩分析,，設(shè)計了一種6個自由度的新式飛行器，外觀是一個立方體框架,，內(nèi)部合理地排布著8個螺旋槳,，使飛行器的靈活度達(dá)到最大。它不僅能在空中平穩(wěn)地上下飛行,，前后旋轉(zhuǎn),，還能自己前后翻滾，左右自旋,。

　　19.五自由度的磁控微型機(jī)器人——旋轉(zhuǎn)永磁體控制平臺

　　通過電磁驅(qū)動系統(tǒng)控制的微型機(jī)器人,，在生物醫(yī)療和微流設(shè)備中有著廣闊應(yīng)用前景,。研究人員設(shè)計了一種磁控裝置樣機(jī)，由8個較大的旋轉(zhuǎn)永磁體組成陣 列,，能以5個自由度精確遙控簡單的無繩微磁體,，精確程度達(dá)到亞毫米級。在演示中,，這一系統(tǒng)能產(chǎn)生任意方向的場和梯度場,，控制250微米的微磁體按任務(wù)路徑 運(yùn)動，精確度達(dá)到39微米,。

　　20.夸張動作逗人發(fā)笑——喜劇演員機(jī)器人

　　這種機(jī)器人能做出滑稽夸張的動作,，逗人發(fā)笑，有望用來預(yù)防或治療精神疾病,。研究人員指出，笑很難成為一種有效的醫(yī)療方法,，因為人們至今尚未完全理解笑的機(jī)制,。非語言的滑稽表演可能超越文化和語言，因此逗笑機(jī)器人有助于揭示人們?yōu)楹螘l(fā)笑,。

　　研究人員對喜劇演員的夸張動作進(jìn)行了專門計算,，提出一種人形手臂設(shè)計，擁有靈活的輕質(zhì)關(guān)節(jié),，通過雙發(fā)動機(jī)驅(qū)動,，能在廣闊空間迅速揮舞運(yùn)動。