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机器人运动学知识介绍

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丹尼尔·威尔逊

现在你可能正拿着一本书,边看边翻页,并时不时回头,越过肩膀察看后面是否有红眼的恶意机器人。随着书页的翻动,你也许会在无意识里考虑这个问题。作为人类,在物理世界移动是如此自然,只需要一丁点的意识即可。而另一方面,机器人———就像最后一个选择踢球的孩子———为了避免伤到自己和别人,每一个动作都必须经过仔细考虑。机器人专家管这个过程叫做“操作研究”。

前进和逆转

如果你醒来发现自己处在一具新的躯体中,拥有金属手臂,每只手只有三根手指,你会怎么样呢?如果不知道手臂的长度,拿东西会很困难;如果只有三根手指,那么你必须找到一个全新的抓取和握东西的方法;由于弯曲的金属手臂,你可能再也没有约会的机会。这些就是身处各地的孤独的机器人们所面临的重大问题。

运动学研究旨在解决机器人的手臂转向何方(动力学则为了解决移动的速度和劲道)。机器人运动学可分两类:前进和逆转。前进运动学的问题是机器人运用它对自身的了解(关节角度和手臂长度)来判断自己在三维空间中到底身处何方。这算是简单的部分,逆转运动学正好相反,它解决机器人如何移动才能达到合适的姿势(改变关节位置)这一问题。机器人在握你手之前,需要知道你手的大概方位,以及从这里移向那里的最优顺序。有时候,可能没有最好的解决方案(试试用你的右手碰你的右肘)。

对逆转运动学来说,大多数方案运用传感器(通常是视觉和力)来估计机器人身体的当前位置。只要有了这个,机器人就能够计划下一步行动(握手、问好或绞断你的脖子)。机器人的反应很敏捷,日本ATR实验室的类人机器人能够更新视觉,估计世界形势,并且在一秒钟里能够做60个动作。这些类人机器人已经能够跳舞,耍弄彩球,玩篮球和曲棍球。

扫描环境和选择动作的过程叫做反馈环路。新的信息被经常性地用于更新当前的决定。如果缺乏经常性更新,机器人的操作技能会变得糟糕。传感器的损伤(或非常不可信赖的传感器)会干扰这一重要的环路。比如以视觉为基础的跟踪遇到混乱的场景会大受干扰,或者浪费资源去跟踪一些无意义的目标(比如落叶等)。震动可以扰乱力传感器,即使它们位于机器人手臂的内部。虽然机器人能够反应得更快更精确,但它们总是依赖于不断更新的信息和持续改进的计划。

如何在肉搏战中生存

如果你发现自己身处与机器人的斗争中,你唯一的生存希望就是逃跑。因为机器人不会对你浪费口舌,也不会遭受胁迫,同时你应该知道它会在不警告你的情况下给你一个突然袭击。对此你可以打坏传感器。传感器对任何机器人来说都是最容易受损最容易暴露的部分。要破坏像摄像机这类露在外面的传感器,只要拿一些灰尘、泥土或水就可以了,因为对机器人来说,用手抹掉眼里的泥是一件相当困难的事。

还有一个对策就是寻找武器。你可怜的肉手在这里是毫无用处的,你得挑一件要么迟钝要么锋利的工具(锯齿边缘对金属和耐磨塑料不起作用),哪怕一把简单的铁锹也能救你的性命。

如何愚弄步态识别机

Atari在1980年出的老游戏《巡弋导弹》中,玩家的目标就是击落飞机,并且在坠落的导弹毁坏家园前将其扫射一空。导弹指挥官就实实在在面临着这样一个问题。目标跟踪始于1950年代早期。数年后,为了让机器人能在真实世界中奔跑,目标跟踪方法被应用到它们身上。对机器人来说,最重要的目标可能就是人类了。

任何跟踪系统的目的在于获取目标,并毫不手软地跟踪它,而目标可能消失在障碍物后面,可能与背景模糊相融。有时,人们并不介意被跟踪,比如近期在巴塞罗那,五十个Baja海滩俱乐部的贵宾们同意在皮下种植芯片用以取代传统的付费方式。对于机器人来说,跟踪人类一般通过计算机视觉、激光指导仪器和/或超声波传感器来完成。

“寻找人类”是一种在现场发现人类的工作。它可能很容易在山脊发现带影子的人类,但是很难在混乱的背景中发现伪装后的战士。只要一旦发现人类,机器人的工作就容易得多了。人类的移动能够被估计出来———我们的手臂只能弯向几个固定的方向,所以假设在没有骨折的情况下,机器人能够预测到你的手臂会如何摇摆,膝盖如何弯曲。机器人还能够预测你能跑多快,或者你的转弯速度。智能目标跟踪器能利用物理学、对你过去行为的记忆和对你当前意图的了解来维持监视活动。非常敏捷的机器人只要通过你移动的方式就能识别你的身份(被称作“步态识别”)。

观察人类是机器人的日常爱好。麻省理工学院有一种系统能通过观察人类的手来识别美国手语。微软的研究中心有一套分散的三眼摄像机(有三只眼睛用以报告距离)可以随时跟踪客厅里的所有人,哪怕他们互相拥抱的时候。未来的跟踪器只会变得更加精巧,更难以对付,目前,最先进的研究模型已经能够跟踪树上的叶子或者实验室里的蚂蚁群。

步态识别机在认出你之前必须先知道你独特的走路方式。为了对这一过程做手脚,你可以时不时滑倒或一蹦一跳走路,还可以假装受伤,要么就在鞋子里放一块石子变换你的走路方式。另外,你可以改变自己的步幅,机器人能通过测量脚步来判断你的身高和移动速度。所以你可以靠改变走路节奏、步幅和方向来使它晕头转向。

 
标签: 机器人
  
  
  
 
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