美國防高級研究計劃局征召新一代機器人

石壽松等

目標：高危環(huán)境

美國防高級研究計劃局為期長達兩年的“機器人挑戰(zhàn)賽”，將搶險救災任務作為新系統(tǒng)研制的重點，是基于如下兩個理由：其一，因為這是美國白宮和國防部提出的美國國防部十大任務之一；其二，國防高級研究計劃局認為這是一項獲得廣泛共識和重視的任務，是民眾高度關(guān)注的領(lǐng)域。

該項目主管普拉特博士解釋說，國防高級研究計劃局“機器人挑戰(zhàn)賽”的目的在于提高美國和全世界對自然災害和人為災難的應對能力，以2011年日本福島核事故為例，先進的機器人系統(tǒng)能夠發(fā)揮重要作用。他說，“在最初的24小時內(nèi)，本來有多次機會進行干預，使災難嚴重程度大大減低。但不幸的是，因為輻射過高，人不能進入事故區(qū)域。結(jié)果，本來可以控制的災難不斷惡化?！?/p>

部署：兵分四路

根據(jù)國防高級研究計劃局的部署，“機器人挑戰(zhàn)賽”項目按照兵分四路方案運作，A、B兩路團隊將獲得國防高級研究計劃局提供的經(jīng)費，而C、D兩路團隊則不會獲得國防高級研究計劃局的經(jīng)費資助。根據(jù)早期的“廣領(lǐng)域公告”，國防高級研究計劃局A路隊伍篩選出7個團隊研制新的硬件和軟件，B路隊伍11個團隊只研制軟件。

A路團隊由一系列機器人技術(shù)領(lǐng)域知名單位組成，由他們推出一系列機器人系統(tǒng)。該路團隊及其研制的機器人系統(tǒng)有：卡內(nèi)基梅隆大學國家機器人工程中心（CHIMP）的高智能移動平臺、德雷塞爾大學牽頭的HUBO人形機器人、雷聲公司的“衛(wèi)士”機器人、SCHAFT公司的HRP－2機器人、弗吉尼亞理工大學的THOR“危險作業(yè)戰(zhàn)術(shù)機器人”、美國宇航局約翰遜空間中心的NASA－JSC宇航局空間中心機器人以及美國宇航局噴氣推進試驗室的“機械猴”機器人。

B路隊伍11個團隊也都是機器人技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者：洛克希德·馬丁公司先進技術(shù)試驗室、RE2公司、堪薩斯州大學、卡內(nèi)基梅隆大學、麻省理工學院、TRAC試驗室、華盛頓大學、佛羅里達人類與機器認知研究所、以色列班古里昂大學、美國宇航局噴氣推進試驗室以及TORC機器人公司等。

B路團隊不研制硬件，而在支持阿帕奇開源協(xié)議的虛擬機器人模擬器上演示各自的軟件。模擬器目前為Beta1.0版，將由“開源機器人基金會”在未來幾個月內(nèi)推出更高版本。普拉特博士解釋說，更高版本的模擬器將采用云計算，使之更易干提高計算能力；此外，還將增加實時模擬功能。模擬器將由國家標準與技術(shù)研究所進行驗證。

C路團隊對來自全世界的競選單位開放；同B路團隊一樣，最初也是使用虛擬機器人模擬器。普拉特博士稱，這路團隊必須展示某些非同一般的技術(shù)才能獲得競選資格。

B路和C路團隊先參加虛擬環(huán)境競選，篩選出一批優(yōu)勝者繼續(xù)進行首輪“實機”挑戰(zhàn)賽，挑戰(zhàn)賽由主辦方向參選方提供經(jīng)費保障。

D路團隊則是能夠研制硬件和軟件，但國防高級研究計劃局不提供經(jīng)費保障，這個團隊來自世界各國。參選者可以自由使用虛擬機器人模擬器，但重點應該放在首輪“實機”挑戰(zhàn)賽上。

目前挑戰(zhàn)任務只是概念性的，并且會隨時根據(jù)需要提出新的功能需求，包括駕駛車輛、開門、爬樓梯、連接電纜或水管等功能。

項目挑戰(zhàn)賽日程表尚末確定，目前預計會在設(shè)計評審后從7個A路團隊項目中篩選出5個。預選工作將在2013年12月完成。在此之前，2013年6月的虛擬挑戰(zhàn)賽參賽的是11個B路團隊和未提供經(jīng)費的C路團隊，先在5月進行資格賽。6月的虛擬挑戰(zhàn)賽將在“云”平臺上進行，選出6個隊參加下一階段的比賽。

2013年12月比賽的11個團隊（A路選出的5個，B、C路選出的6個）將有8個團隊勝出，獲得經(jīng)費保障繼續(xù)參加2014年12月的挑戰(zhàn)賽，獲勝團隊最終將獲得200萬美元獎勵。

特點：仿生自主

國防高級研究計劃局的“機器人挑戰(zhàn)賽”需求機器人涉及諸多與人類休戚相關(guān)的特性，機器人作業(yè)的環(huán)境就是其中之一?！拔覀冎?，日常災難影響最大的地方不是沒有建筑的戶外環(huán)境，而是人類居住的室內(nèi)環(huán)境，這個環(huán)境里有許多設(shè)施，比如門、樓梯、窗戶等。所以我們研發(fā)的機器人和技術(shù)要與人類居住的室內(nèi)環(huán)境高度適應”，普拉特博士解釋道。普拉特博士指出另一新的設(shè)想是在這些環(huán)境中，機器人應該設(shè)計成能使用人類使用的工具，如螺絲刀等。這一點在災難現(xiàn)場顯得特別重要，因為在救災的早期階段往往難以提供機器人專用工具。

操作人員與機器人訓練還要考慮一個重要因素，即必須操作簡單。

普拉特博士雖沒有明確說明機器人應該達到的自主水平，但指出挑戰(zhàn)賽將會充分體現(xiàn)出自主能力的重要性。對自主性的考察涉及操作人員和機器人之間的信息流。發(fā)生災難時，通信質(zhì)量往往會很差，優(yōu)秀的機器人需要有自主性，通信質(zhì)量越差越需要自主性。比如說，不是在運動級別上指揮機器人，說“前進1英寸”，而必須從任務級別上指揮，例如“開門”。

在挑戰(zhàn)賽中，國防高級研究計劃局還將對通信線路質(zhì)量進行調(diào)控，逐漸減弱通信信號，看機器人如何應對這種情況。

普拉特博士稱，國防高級研究計劃局通過兵分四路的途徑，期待使競賽盡可能開放化和國際化，使之能夠找到來自全世界最好最完美的方案，“這樣做的理由是廣開門路，以便我們能夠聚集那些不在傳統(tǒng)的機器人技術(shù)領(lǐng)域的團隊”。

參賽：才能展示

國防高級研究計劃局為未來的救災機器人描繪了一副科學性與藝術(shù)性、現(xiàn)實性與幻想性交織的圖景?？吹竭@些參與競爭的研究團隊設(shè)計的機器人照片，想像一下，在像日本福島核電站爆炸這樣的災難中，先進的機器人從穿越廢墟到最終關(guān)閉泄漏的閥門能一力承擔，就能充分說明機器人的重大意義了。下面是一些參賽團隊提供的部分優(yōu)秀作品方案。

“機械猴”機器人

美國航空航天局噴氣推進試驗室的“機械猴”機器人能通過深思熟慮、穩(wěn)定的操作完成具有挑戰(zhàn)性的任務。該試驗室研究小組將采用已經(jīng)被成功運用在現(xiàn)代機器人中的設(shè)計方法、系統(tǒng)元件和軟件算法。

高智能移動平臺

美國卡內(nèi)基梅隆大學國家機器人工程中心研制的高智能移動平臺，用于在特定環(huán)境中執(zhí)行復雜的危險任務。該機器人具有接近人類的形體結(jié)構(gòu)、力量和敏捷性，同時無需復雜的控制系統(tǒng)。

“衛(wèi)士”機器人

美國雷聲公司設(shè)計的“衛(wèi)士”機器人是一種新型的自供電、輕量級、健壯、靈巧的人形機器人。這種機器人的設(shè)計很好地利用了該公司在制造人形尺寸體外甲殼方面的經(jīng)驗，并擴展了體外甲殼的概念，引進了一些創(chuàng)新技術(shù)。

人形機器人

美國航空航天局約翰遜航天中心提出發(fā)展新一代的人形機器人，以及能夠在各種情況下執(zhí)行動態(tài)、感知密集型任務的控制模式。航空航天局約翰遜航天中心將在研究過程中運用開發(fā)多代機器宇航員的經(jīng)驗和相關(guān)技術(shù)。

HRP－2機器人

美國SCHAFT公司設(shè)計的機器人基于成熟的硬件及其現(xiàn)有的HRP－2機器人軟件。該公司將創(chuàng)造一個智能機器人核心，它結(jié)合了用于識別、規(guī)劃、運動生成、運動控制和用戶界面的必要軟件模塊。該公司研究團隊將分3個小組分頭研究如下課題：硬件設(shè)計、軟件集成和情景測試。

“危險作業(yè)戰(zhàn)術(shù)”機器人

美國弗吉尼亞理工大學設(shè)計的“危險作業(yè)戰(zhàn)術(shù)”機器人是一種戰(zhàn)術(shù)冒險操作機器人。這種機器人輕便、敏捷，具有感知能力。它采用人機界面技術(shù)，能夠推斷操作者的意圖，允許無縫、直觀的控制。弗吉尼亞理工大學研究小組將著重發(fā)展“危險作業(yè)戰(zhàn)術(shù)”機器人的3個基本主題：硬件應變能力，強大的自主性，直觀的操作。

Hubo人形機器人

美國德雷克塞爾大學設(shè)計的Hubo人形機器人是一種開放架構(gòu)的雙足機器人，具有完整的、全尺寸的人體結(jié)構(gòu)。