軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展路線探尋

隨著機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，醫(yī)療保健、復(fù)雜地形勘探等特殊領(lǐng)域?qū)C(jī)器人提出了更加苛刻的要求，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下使用的特殊機(jī)器人成為科學(xué)界研究的重點(diǎn)方向。本文通過(guò)分析軟體機(jī)器人的發(fā)展歷程，聚焦其在材料運(yùn)用、驅(qū)動(dòng)方式、應(yīng)用前景等方面的發(fā)展?fàn)顩r，展望軟體機(jī)器人技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

近年來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展一直集中于學(xué)術(shù)界、企業(yè)界以及公眾界的興趣和大量資金的推動(dòng)，同時(shí)各國(guó)政府也制定了相應(yīng)的發(fā)展路線圖。美國(guó)十多年來(lái)持續(xù)研究和更新機(jī)器人的發(fā)展路線圖，路線圖中也提到了很多問(wèn)題，比較突出的有兩個(gè)問(wèn)題：第一，機(jī)械手的靈巧性和操作性；第二，新型機(jī)械手或其它機(jī)器人如何能夠更接近人的操作性能和功能。這兩個(gè)問(wèn)題在之前更新的路線圖中都有涉及，并且也闡釋了其發(fā)展方向。但是隨著時(shí)間的推移，我們可以看到，現(xiàn)在機(jī)械手及機(jī)器人的發(fā)展方向仍然不明確。

剛體機(jī)器人在過(guò)去幾十年里一直被作為主要研究路線，這種機(jī)器人研究體系已經(jīng)十分成熟，其中工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也得到了全面的發(fā)展和推廣。按照同樣的方式做與人體互動(dòng)的機(jī)器人，或做用于特殊環(huán)境下的機(jī)器人，我們發(fā)現(xiàn)做出來(lái)的機(jī)器人并不完全適用。例如做輔助人走路或提高行動(dòng)能力的機(jī)器人，這類機(jī)器人屬于體積較大的剛體機(jī)器人類型，存在明顯的局限性。

從學(xué)術(shù)和應(yīng)用的角度回顧過(guò)去機(jī)器人的發(fā)展，尤其是工業(yè)機(jī)器人得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，它所依賴的是系統(tǒng)性的技術(shù)，主要是剛體機(jī)器人整個(gè)技術(shù)體系。通過(guò)機(jī)械原理構(gòu)建一個(gè)機(jī)器，這個(gè)機(jī)器能夠運(yùn)動(dòng)，再?gòu)膭傮w理論中把剛體去掉，換成真正的結(jié)構(gòu)性材料，再把動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)裝置放進(jìn)去（基本上都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)），最終形成由傳感到控制的完整系統(tǒng)，也就是機(jī)器人。

從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度來(lái)看，剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)也就是機(jī)械原理，1876年一個(gè)德國(guó)的工程師就把它徹底理順，然后寫進(jìn)《機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)》一書中。從蒸汽機(jī)發(fā)明以后，機(jī)器人的發(fā)展都是依賴于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)，然后把驅(qū)動(dòng)、傳感和控制完全建立起來(lái)，最終形成了一個(gè)系統(tǒng)，使得今天有各式各樣的自動(dòng)化機(jī)器，包括汽車和火車，以及工業(yè)機(jī)器人，都建立在系統(tǒng)地做機(jī)器研究或者機(jī)器理論上，這套理論已經(jīng)非常成熟了。

軟體機(jī)器人會(huì)有更自然的人機(jī)交互體驗(yàn)

如果想讓機(jī)器人做更多的事情，尤其是和環(huán)境、和人體進(jìn)行互動(dòng)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題，也就是這些剛體在馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下慣性非常大，接觸到外界就會(huì)發(fā)生很強(qiáng)烈的沖擊，可能會(huì)造成不安全，剛體和軟體的環(huán)境互動(dòng)也不是那么容易控制。因而，很難用傳統(tǒng)的剛體機(jī)器人做出新一類超出工業(yè)機(jī)器人需求的機(jī)器人。

我們希望機(jī)器人能夠和環(huán)境、和人直接互動(dòng)，這種需求會(huì)給人類帶來(lái)很大的幫助，包括康復(fù)、協(xié)助老人，或者是穿戴方面，也希望能夠有傳感功能，機(jī)器人能夠直接通信，但是剛體交互性并不好，而且馬達(dá)驅(qū)動(dòng)工作時(shí)，控制好馬達(dá)以得到柔性的驅(qū)動(dòng)及互動(dòng)很難，因?yàn)轳R達(dá)的功率一般都很大，現(xiàn)在還達(dá)不到低功率的柔性控制。

我們?cè)谒伎寄芊裾业狡渌绞竭M(jìn)行交互時(shí)，自然會(huì)想到人體。人體雖然有骨骼結(jié)構(gòu)，但外面有軟體也就是肌肉，更重要的是有肌肉和皮膚作為和外界互動(dòng)最主要的界面，而不是骨頭直接和外面互動(dòng)。我們想改變剛體機(jī)器框架，換成通過(guò)不同的材料來(lái)做新的機(jī)器人，也就是用軟體材料，軟體互動(dòng)性能就會(huì)好得多，用軟體做出新的機(jī)器人可能會(huì)帶來(lái)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

從人體角度來(lái)看，肌肉的彈性系數(shù)基本上和橡膠硅差不多，如果用橡膠硅來(lái)做軟體機(jī)器人，從彈性的角度來(lái)看應(yīng)該和人體差不多，于是我們開(kāi)始嘗試用軟塑料一類的材料來(lái)做機(jī)器人，軟體機(jī)器人就此開(kāi)始變成一種新的形式。實(shí)際上這項(xiàng)研究還是相對(duì)比較新的，直到2012年左右，美國(guó)有幾位教授用氣槍為塑膠通氣，能夠做出爬、跳等動(dòng)作的軟體機(jī)器人，可以做到我們所要的軟體機(jī)器人性能。有了這些具有前沿性、探索性的工作后，大家開(kāi)始清楚了解到軟體機(jī)器人廣闊的市場(chǎng)前景，例如可以用來(lái)做醫(yī)療機(jī)器人、穿戴機(jī)器人和機(jī)器人玩具。

當(dāng)然，我們還需要其它技術(shù)。比如傳感技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，需要柔性的傳感驅(qū)動(dòng)，也需要柔性的驅(qū)動(dòng)器。柔性傳感的材料已經(jīng)有人做過(guò)一些研究，但做柔性驅(qū)動(dòng)器就不是那么容易了?，F(xiàn)在市場(chǎng)上大家有很多的猜想，比如飛機(jī)的機(jī)翼不是現(xiàn)在的固定機(jī)翼，而是柔性的、可變形的機(jī)翼，如果做得好的話，相對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能會(huì)更好，所以也會(huì)有更多其它的用處。隨著3D打印技術(shù)的興起，有可能出現(xiàn)更復(fù)雜的軟體機(jī)器人材料。

軟體機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題

軟體機(jī)器人的發(fā)展需要仔細(xì)考慮幾個(gè)問(wèn)題：1）從學(xué)術(shù)的角度來(lái)看，既然做軟體機(jī)器人就需要軟體，或者柔性互動(dòng)的本體，里面可能有剛體，也有可能就像人一樣有骨骼，剛體之間也有可能產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，我們?cè)谄渲屑尤脬q鏈。2）軟體當(dāng)中可以加入一些分布性的驅(qū)動(dòng)器和傳感器，因?yàn)橛蟹植夹缘能涹w，如果有分布性的驅(qū)動(dòng)和傳感，柔性機(jī)器人的性能就會(huì)變得更好。3）只有剛體骨架作為傳感，外面的軟體是被動(dòng)的皮膚和肌肉，互動(dòng)的性能可能會(huì)低。

總體來(lái)講，從學(xué)術(shù)角度看，我們要把軟體機(jī)器人看作人一樣的結(jié)構(gòu)，其中就會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，比如怎樣做這些東西，最終還要看它能夠帶來(lái)什么樣的功能和性能。我們需要知道它的運(yùn)動(dòng)是手還是腳或者是車，要看最終結(jié)構(gòu)做成什么樣子。如果是一個(gè)手我們就需要設(shè)計(jì)手指，讓手指抓取物質(zhì)，如果是一個(gè)驅(qū)動(dòng)就要做成腳。軟體的部分需要包含在機(jī)器人的設(shè)計(jì)、傳感和控制整體的框架當(dāng)中，現(xiàn)在基本上沒(méi)有很好的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，實(shí)際應(yīng)用中仍然是把剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)搬到柔性體當(dāng)中。

我們需要從最基礎(chǔ)的角度來(lái)看軟體機(jī)器人，主要有三個(gè)大的問(wèn)題：1）如何定義柔體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)？機(jī)器人畢竟是要做運(yùn)動(dòng)的，剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)通過(guò)機(jī)械原理可以解決，軟體現(xiàn)在還沒(méi)有。2）如何設(shè)計(jì)/控制柔性系統(tǒng)。我們不可能用鉸鏈和傳感，如何從軟體機(jī)器人當(dāng)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，以及更復(fù)雜的是怎么控制運(yùn)動(dòng)。控制便成了非常麻煩的事情，因?yàn)橛袩o(wú)窮多的自由度，要看怎么驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人系統(tǒng)，最終怎么做到很好的控制。3）柔性系統(tǒng)制造的材料問(wèn)題。今天我們遇到最主要的問(wèn)題就是軟體機(jī)器人的材料的問(wèn)題，材料給了我們很大的局限性，我們沒(méi)有很好的軟體材料真正來(lái)做最終想要做的軟體結(jié)構(gòu)。

軟體機(jī)器人和固體力學(xué)結(jié)合，但從固體力學(xué)當(dāng)中我們又想得到運(yùn)動(dòng)和原理，比如機(jī)械設(shè)計(jì)。反向運(yùn)動(dòng)就是怎么反過(guò)來(lái)控制結(jié)構(gòu)，最終產(chǎn)生想要得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)。

在軟體機(jī)器人系統(tǒng)中，如果有了軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，需要有設(shè)計(jì)方法，然后要有模型，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)方程，最終可能有局限性的傳感，不是每個(gè)自由度都有傳感，然后用傳感系統(tǒng)來(lái)做控制，從而產(chǎn)生控制系統(tǒng)。其中最難的是要看什么設(shè)計(jì)、什么架構(gòu)能夠產(chǎn)生人類需要的軟體機(jī)器人，軟體機(jī)器人需要完成什么任務(wù)，怎么去實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)，因而需要做運(yùn)動(dòng)規(guī)劃或任務(wù)規(guī)劃，然后再加上具體的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)生合適的控制，最終才能設(shè)計(jì)出實(shí)用的軟體機(jī)器人。

理論上來(lái)講，需要解決的就是這樣幾個(gè)問(wèn)題，但實(shí)際操作起來(lái)就不是那么容易了。不過(guò)在虛擬空間中解決了這些問(wèn)題。研究計(jì)算機(jī)圖形的工程師已經(jīng)想到了這些問(wèn)題，并做出了一個(gè)虛擬的軟體機(jī)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，如果有理想的驅(qū)動(dòng)器就能實(shí)現(xiàn)跳動(dòng)。

這個(gè)軟體機(jī)器人在虛擬環(huán)境當(dāng)中完全能夠?qū)崿F(xiàn)平衡和跳動(dòng)，以及做各種其它動(dòng)作。從仿真角度來(lái)講，理想系統(tǒng)中的軟體機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)能夠產(chǎn)生力，控制系統(tǒng)當(dāng)中的控制方程和控制方法都解決了，加上仿生設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃都是用傳統(tǒng)的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法解決的，這種理想的、模擬的圖形學(xué)軟體機(jī)器人并沒(méi)有變成現(xiàn)實(shí)。變成現(xiàn)實(shí)仍需要找到材料、驅(qū)動(dòng)器和傳感器，都要和模型完全匹配，這在現(xiàn)在來(lái)說(shuō)仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

雖然軟體機(jī)器人在醫(yī)療、國(guó)防和急救領(lǐng)域有需求，但是真正最大的市場(chǎng)還是玩具市場(chǎng)，而且對(duì)行業(yè)最感興趣的是迪士尼公司，迪士尼公司投入了很多資金，但仍然很難實(shí)現(xiàn)。要找到一個(gè)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(qiáng)的話，做控制和其它設(shè)計(jì)也很難?，F(xiàn)在的軟體機(jī)器人是百花齊放，各式各樣的系統(tǒng)和軟體機(jī)器人都有人在做，包括電驅(qū)動(dòng)的、用硅膠的，還有塑料材料和3D打印，大家一般都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)剛體機(jī)器人設(shè)計(jì)方法的模擬，以此產(chǎn)生自己的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的時(shí)候可能會(huì)有一兩個(gè)動(dòng)作，比如抓水杯、抓蘋果、抓鉛筆，然后就成為了機(jī)械手。這樣的機(jī)械手局限性很大，材料的性能也非常不好。

現(xiàn)在大家非常期待的是通過(guò)3D打印來(lái)尋找適用于軟體機(jī)器人的材料。3D打印的迅速發(fā)展給我們帶來(lái)了一些機(jī)遇，我們可以把不同性能的材料混合起來(lái)使用，最終通過(guò)3D打印得到比較復(fù)雜的柔性系統(tǒng)（例如機(jī)械手指和機(jī)械腿）。我們做的3D打印的手指可以用來(lái)抓蘋果、抓雞蛋、抓豆腐，但真正用起來(lái)就會(huì)有嚴(yán)重的問(wèn)題。這種利用3D打印實(shí)現(xiàn)的柔性手指很柔軟，抓起物體快速移動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)手指會(huì)抖動(dòng)，也就是沒(méi)有剛性。又要柔又要?jiǎng)?，這種性能在柔性機(jī)構(gòu)或者機(jī)器人中還是非常有限的，這也是一個(gè)比較嚴(yán)峻的問(wèn)題。

平常機(jī)器人用的基本都是馬達(dá)、氣動(dòng)或液壓，因?yàn)檫@是傳統(tǒng)大功率機(jī)器的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，要是應(yīng)用到軟體機(jī)器人的話，我們自然希望用軟體的材料作為驅(qū)動(dòng)器。最關(guān)鍵的軟體材料就是壓電塑性材料，這類材料有點(diǎn)像硅膠，通電后會(huì)擴(kuò)展和延伸，例如，最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)器就是做一個(gè)氣球，氣球加了氣壓后會(huì)膨脹，膨脹會(huì)帶來(lái)動(dòng)能，也就被認(rèn)為可以作為驅(qū)動(dòng)器。

原來(lái)的想法就是把這些驅(qū)動(dòng)器做得很好，然后分布性地放到軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都可以獨(dú)立控制，這樣就有分布性的控制來(lái)做驅(qū)動(dòng)，性能也會(huì)好得多，但是做起來(lái)很不容易。目前的做法就是做成一個(gè)隊(duì)列，驅(qū)動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一些波，最終可能會(huì)帶來(lái)各種效果，我們做的就是類似踢足球的東西。通過(guò)這種驅(qū)動(dòng)器做到最好也不過(guò)如此了，至多是驅(qū)動(dòng)一條很小的魚的尾巴，抖動(dòng)大概有4～5赫茲，頻率也不會(huì)太高，力也不會(huì)太大，無(wú)非就是變形比較大。

現(xiàn)在行業(yè)當(dāng)中對(duì)軟體機(jī)器人來(lái)講，驅(qū)動(dòng)材料也是很大的瓶頸，氣驅(qū)動(dòng)、液體驅(qū)動(dòng)和壓電驅(qū)動(dòng)效果都不是很好，怎么才能有很好的驅(qū)動(dòng)器來(lái)幫助軟體機(jī)器人的發(fā)展，這也是個(gè)很嚴(yán)峻的問(wèn)題。

軟體機(jī)器人的發(fā)展實(shí)際上就是三大問(wèn)題：機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理、剛性結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和反饋，最終要有理論幫助設(shè)計(jì)，還要有理論幫助來(lái)做任務(wù)規(guī)劃和路徑規(guī)劃。因?yàn)椴牧嫌袊?yán)重的局限性，驅(qū)動(dòng)的可行性太小，設(shè)計(jì)的方法基本上沒(méi)有，所以現(xiàn)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(lái)給大家看，把可行性向前推進(jìn)一步。慢慢的這些成功的案例和經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛉诤显谝黄?，使得軟體機(jī)器人在理論上有所發(fā)展。更重要的是要有適合做軟體機(jī)器人的材料，包括壓電材料和其它材料，還有需要提供很好的空間，適合軟體機(jī)器人發(fā)展。

（本文根據(jù)“2018世界機(jī)器人大會(huì)”現(xiàn)場(chǎng)演講整理而成，未經(jīng)演講人審閱。）