球虫机器人

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1、单一的球疤驱 动轮设计.便 亠球虫狂移动 机曙人设计方戮 中独钢一叹.与 金不同“球虫”机器人来了拉尔夫霍利斯人类一直梦想着能够制造出这样一种机器人:行动自如，能在家庭、办公室和疗养院等场所帮助人们完成各种任务。科幻作家妙笔生花，从不同角度描写过这类机器人;科学家更是 绞尽脑汁，为制造出这种机器人孜孜不倦地奋斗了多年，但是，这个梦想似乎至今仍遥不可及:机器人如何感知并模拟环境、进行自动推理、摆弄物体以及移动等重大问题，至今尚未解决。现在，一些新颖的机器人纷纷崭露头角，虽然距 人们的期待还很遥远，但在技术上已有一定突破, 令人啧啧称奇:2002年，美国人工智能学会(America n Assoc

2、iati on for Artificial In tellige nee)在加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿市举行年会。一 个研究小组将一台机器人放在会场入口处，结果 这个聪明的家伙很快就走到报到处向大会报到， 大会工作人员分配给它一间演讲厅，它自己设法 找到了那里,并在指定的时间向与会者作了简短 的自我介绍。有的机器人在博物馆充当导游，表 现得像模像样;还有的机器人可望出现在疗养院、 养老院等场所，照顾或陪伴患者和老人。为了让 机器人能灵活地拿取物品,计算机科学家和工程 师还给它们装上了手臂和手。这些实验型机器 人全都是立在一个底座上,底座由三四个轮子支撑着，这种结构被称为静态稳定”型结构，即机器

3、人即使在静止时也保持直立状态。为了在日常环境中与人类实现有效互动，机器人必须具有一定高度。但机器人身材越高，重心 也就越高，容易摔倒。为了避免摔倒，它的加速和减速动作都必须十分缓慢，还应尽量避免爬陡 坡。为了解决这个问题，研究人员把静态稳定型机器人的主体和轮式底座造得比较宽大增强 稳定性，但如此一来，进门、出门，或在家具和人群间穿行时，灵活机动性又大打折扣。几年前，我决定设计并建造一台瘦高型机器人一它机动灵活,能稳稳当当地支撑在一个球 形轮子上，并由这个球轮推动着四处行走，这样就摆脱了宽大笨重的轮式底座,可以穿越狭窄 的场所。尽管这类简单的机器人重心较高，但它仍能相当迅速地朝任何一个方向移动,

4、由于此 类系统采用了主动平衡的原理,因此被称为“动态稳定”型，也就是说，它只有不断对身体姿态进 行必要的修正和调整，才能保持直立状态。我意识到这是一种全新的轮式移动机器人前人从 未涉足此类设计方案，因此我想不出什么更好的名字来称呼它，姑且就叫它“球虫”(ballbot)吧。 我和我的学生花了一年多的时间来琢磨这只球虫，研究了它的稳定性能，还考察了它是否适 合在人类日常环境中工作。在这段时间里，许多人参观了我们的实验室,他们看见球虫仅靠一 只球形轮子保持平衡，且行动自如，都感到不可思议。维持平衡传统机器人固定在宽大的轮式底座上来保持平衡。可是球虫这种站在一只球轮上的“瘦高”型 机器人，行走时究竟

5、如何保持平衡而不至于摔倒呢？人类能保持身体的平衡,得益于内耳前庭感官的帮助。大脑把前庭感官提供的信息同来自其 他感官的信息(例如视觉信息)汇集起来，并加以整合，然后发出指令，控制腿部和脚部的肌肉， 使人保持直立而不至于摔倒。球虫保持平衡的奥秘，与人类异曲同工:首先，球虫必须设定一个 它要完成的目标，比如停在某个地方不动,或者在两个位置之间沿直线移动;其次，球虫必须随 时了解重力的指向,能测定自己身体与这条垂线(即垂直指向地心的线)的偏离程度;第三，球虫 还必须设法让自己脚下的球轮向任意方向滚动，并测量它在地板上走过的距离;最后,球虫还 必须拥有一套行之有效的控制策略(con trolpolic

6、y),处理它测量的各种传感信息，并据此发布 命令来指挥脚下的球滚动，实现自己的目标。从古至今，解决所谓垂线问题”(problem of the vertical)-直极具挑战性见第40页。好在近 年来，计算技术、光纤和微电子机械系统(MEMS)等研究领域取得了长足进展，我们充分利用 这些新技术，获得了成本低廉的新型方向传感装置,用来模拟传统旋转式陀螺仪(spinnin ggyroscope )的功能。我们采用的系统有3台光纤陀螺仪，以相互垂直的方式安装在一个牢牢固定在球虫身体上的 盒子内见第39页框图。每台陀螺仪均由3部分构成:光源、探测器和光纤线圈，不含旋转部 件。光波在光纤线圈中以相反方向

7、传播，在探测器上发生相互干涉。工作时，球虫的身体朝不 同方向转动，安装在它里面的3个方向传感器也随之转动，如此一来，探测器上接收到的光干 涉条纹(interferencefringe)就会发生相应的改变。通过测量这些变化，并由一台微型电脑将这 些数据信息整合起来，我们就能得到机器人身体的俯仰角(pitch,前后倾斜)、侧倾角(roll,左右 倾斜)以及偏转角(yaw,绕垂直轴的旋转)等数据。为了正确无误地确定垂线方向,所有陀螺仪都必须考虑地球自转这一因素。陀螺仪还会受到 许多其他因素的影响，会造成误差，时间一长，误差积累，将引起偏移。我们的系统有3台微电 子机械系统加速计，以相互垂直的方式安装

8、在陀螺仪盒内，同陀螺仪并排放置在一起。这些加 速计为球虫提供了每时每刻它在任意方向上的加速度数值,通过电脑的分析计算，球虫就可 以修正光纤陀螺仪的偏移,随时掌握垂线的方向，也就是自身的倾斜角度。以球为足球虫的腿一球轮的移动，巧妙地利用了机械式鼠标原理,只不过与鼠标恰好相反:它由滚筒 推动球轮转动，球轮则带动机器人主体前行。利用电机驱动一个球向四面八方滚动，有若干方法，而我们在设计球虫驱动系统时，力求简单。 当你按住一只机械式鼠标四处拖动时,鼠标底部的圆球便推着两个相互垂直的滚筒旋转。鼠 标对滚筒的旋转进行测量，并将测量结果输入电脑，电脑据此控制光标在屏幕上作相应的移 动。球虫走动的过程正好与此

9、相反:球虫内的电脑输出指令,控制一对电机的运行，电机带动滚 筒，滚筒再带动球旋转，球虫便可以沿任意方向走来走去了。从本质上来说，这是一种反向鼠 标球”的驱动方式。目前，球虫装有两台电机，它们控制着球的俯仰运动和侧倾运动，第三台电 机尚待安装，它将控制球虫的偏转运动到时候，球虫就可以迅速面向任何方向了。正如马戏团的小丑踩在球上做出各种滑稽动作,球虫也“站在球轮上。在球和机器人主体之间, 安装了 3个滚珠轴承，它们承受着机器人的重量。球轮则是一个空心铝球上面包裹着一层厚 厚的聚氨酯橡胶,以增加摩擦,尽量减少球轮与滚筒之间出现打滑。不过打滑的现象难以避免, 因此必须通过某种机制来加以补偿。为了测量球

10、的转动,推断球虫的移动距离，我们在驱动电机上安装了光学编码器。每个编码器 都拥有一个固定光源,对面是一台光探测器。在光源与探测器之间，有一个固定在电机转轴上的透明旋转 遮光板，上面涂有许多不透明的细细条纹。电机转动，便带动遮光板一起转动，这样，光源发出 的光束时而被不透明的条纹挡住,时而又穿过条纹之间的空隙，到达光探测器,光探测器把计 数结果发送到球虫的主电脑，电脑就能推算出球的转动情况,进而确定它滚动过的距离。进退自如根据不同的需要，球虫可采取不同的控制策略:前进、后退、转身或静立不动，从而达到自己的 目标。一言以蔽之，球虫只要掌握了自身的倾斜状况，便可以根据这一信息来确定滚动球轮的方式，

11、以便保持平衡或到处走动。幸运的是,从本质上来说，球虫就是一个倒立的单摆，物理学家早把 这种机制研究得非常透彻了。我们运用最优控制理论技术,寻找驱动球虫的最佳策略,使球虫 能够事半功倍，顺利到达目的地。球虫的测量系统将根据它所携带的传感器，测量或推断出自 己在每个运动方向上的位置和速度，当然还有它身体的倾斜程度和倾斜速率。衣塞盘尿 球！下直在詔所示I礁像t 琲電rr HTEiiJ; iliaa3ttiRSt玄讨封肚，AF?!ti?ClCiS计列忑蛋jTA1V.帼怦和卫莽忌动，丛円轉出夢红亓向慎殖覆.班也楼規逵 业储卑泉剧宦盅谐削啊洌州革由府坤外平栃|賊于电帛母原墀的讦博“徙前晨*爭)萌Ifl中旳

12、盘嗎丈字=蛍动1fcK4丸下面占 TEhVMMK?lk亡的工柞康坯与曲就衣黒标相仿只木H mwffljEtsf.蚩郴产动週n.準筒艮rt助耳转恥，砒聿爭碑削 拥玉过的笔育.jti-tsiattw.悴机时.琲宝播卄3 揄可炽神訥出俾梅童立.SM4L1&働址计見电三腊嗥(收足时1vntt慕动廉暫-itai (ziAT世寓元即讷哽机巧 it罕Ift砰H诅说白鼻-塗协惜乖H竹厲覃元J各雯性I兰腊果电机一我们运用了一种简化的线性数学模型来描绘球虫的动态平衡。I960年,匈牙利裔美籍数学系 统理论家鲁道夫卡尔曼(Rudolf Kalma n)率先提出了一种巧妙的方法，用来导出这类系统的 控制策略。借助卡尔

13、曼的巧妙方法，通过一系列计算，球虫就可以得到每时每刻应该及时采取 的最佳控制动作。球虫的主电脑每秒可完成数百次这样的计算。如果球虫的目标是要从一处走到另一处，那么它的控制策略就是:先使球轮朝相反方向滚动 一下，让球虫的身体略略前倾,产生一个向前运动的加速度。在接近目标位置时，球将自动加速, 使球虫的身体略略后倾，使它逐渐停下来见第40页框图。如果球虫的目标是站立不动，那么 它就应该尽力保持自身的平衡,使自己在每个方向上的位移、速度、倾斜度和倾斜速度都趋 于零。精益求精在我们未来的生活与工作中，新一代机器人能与我们进行动态交流，而球虫正是研制这类机 器人的有效平台。我们对球虫的实验才刚刚开始。在

14、实验过程中，我们通过无线电与球虫交流。我们打算给它 装上一双手臂和一个脑袋，这个脑袋可以扫视四周、俯仰自如，再加上一个双目视觉系统和其 他传感器，让它拥有高度自主能力，成为名副其实的机器“人”。这项研究的目的是，了解这类机 器人在日常环境中与人打交道时的表现，并考察它的性能、安全性以及行走能力，看看它与传 统的静态稳定型机器人相比，究竟孰优孰劣。我们认为，要打造在日常环境中行动自如的机器 人，如果继续研制传统静态稳定型机器人，无疑是死路一条。在研制动态稳定型机器人方面狠下功夫的，还不止我们这一个研究小组。其他一些研究小组 推出了两轮机器人，它们在俯仰方向上处于动态稳定状态，不过在侧倾方向上则仍是静态稳 定的。虽然与球虫相比,这些机器人目前还不具备全方位运动能力，但将来它们却很有希望在 野外大展其灵巧敏捷的身手。从长远来看,仿人的动态稳定型两足机器人将优于球虫，特别是在上下楼梯方面，它们的本领 大大高于球虫。世界各地的研究小组正不遗余力，研制这类结构复杂、造价不菲的机器人。 我们的终极目标旨在打造出这样的移动机器人一它能在我们生活及工作的场所自如地同 我们进行动态交流。目前看来，球虫将是我们研制这类更高级机器人的有效平台。