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机器人到底能有多敏感?

发布时间: 2015-5-19 下午5:38

作者: zhongxwh

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 人类和机器人的区别之一就是,人类具有感知能力,机器人却没有。然而,随着触觉技术的进步,这个差距正在日益缩小。   

如今,外科医生在给病人做手术时,病人对手术仪器可以没有感觉。类似的,也有来自世界各地在核设施周围工作的人员,利用远程控制器来控制机器手臂操作放射性物质,从而不用直接接触它。几乎对于每一个从事有机器人帮助的体力工作人员来说,麻痹似乎已经成为一个折磨着他们的大规模性传染病。这些工作人员有来自阿富汗的未爆弹处理专家,也有刚登上国际空间站的宇航员。   

与其说这是个生理问题,不如说它是个机械问题。随着机器人广泛应用,尤其是在高风险环境下应用的日益普及,远程遥控的优势正日益凸显。然而,大多数机器人却不能感觉到他们所接触的东西。这促使机器人使用者开始改变机器人的本能,并用不变的视觉信号来替代一些简单的触觉信号(例如两个指尖的轮廓线)。于是,便产生了研究者们所谓的“增加的认知负荷”。正是因为这样,使用者一定会积极地认为,他们布置给机器人的无数个小任务都是很简单的。当我们在处理那些时间紧迫的问题时,例如当病人正在大量失血,或者路边的一个**亟待拆卸,我们所承担的附加责任就会变得几乎不能承受。而如今,研究者都希望通过制造有触觉的机器人来减轻这些认知负担,并尽可能让所有的机器人都变得更加高效。人们称这种技术为触觉技术,它代表了机器人领域中最具有挑战性的技术。然而,随着新的感应器和反馈系统走出实验室,投入应用,触觉技术竟碰巧成为这个领域中最有前景的技术。



传感反馈:有效震荡和加重干扰的分界线   

触觉技术是关于机器通过接触进行通讯的技术。作为传感反馈技术的核心,触觉技术既能指代一个能够操纵机器人遇到障碍物时停下的操纵杆,也能指代一个显示有虚拟键盘的触摸屏。震荡是传感反馈最常见的一种形式,而让已经静音的手机在来电时震动则是它最常见的应用。   

把这个概念应用到机器人身上似乎有些直接。当一个外科手术机器人,如Intuitive Surgical公司的达芬奇系统,在其操纵器接触到一个病人的器官时,为什么不能用嗡嗡声来给操纵器发射信号呢?“你并不希望外科医生的手震动起来。”剑桥研究发展中心马塞诸瑟州的首席执行官Ken Steinberg说道。剑桥研究发展中心前段时间刚刚测试完外科机器人里的传感设备。因为他们的手已经装上了控制器,所以能够控制病人体内的操纵器。外科手术医生告诉Steinberg说,连续不停的震动至少会让你分心,如果震动过大,还会让你的手指麻木。“人类的身体绝对不能接受震动,”Steinberg说道,“神经会随着过强或者过弱的震动而失去作用。随着时间的增加,它就会让你感到愤怒。”   

剑桥大学研究发展中心的解决办法是减小嗡嗡声。他们认为嗡嗡声越小,人们就越不会感到心烦意乱。他们最近退出了新产品Neo,这是一款带有头巾的直线驱动器。不同于大多数做圆周运动的驱动器,它能够上下移动。当达芬奇系统的仪器或者操纵器同任何事物联系时,Neo的小触感器(一个能够传输使用者皮肤上压力和震动的微型传感器)会推挤外科医生的头。使用直线驱动器能够让触觉反馈每分钟都进行调整——有反映控制器擦碰到器官的羽毛状的痒感,以及反映缝合处受到挤压的明显的拍打感。   

为了测试反馈信息的有效性,一个外科医生使用Neo进行了一场模拟手术。这场手术需要他抓住病人的血管,而这却是外科医生在使用伤害性最小的机器人做手术时尽量避免的,因为这样做手术很有可能会刺破病人的血管或者给病人机体造成损伤。“我们决定展示在做手术时,我们握模拟血管的力度可以有多轻,从而借此来说明机器人在做手术时出现偏差和压破血管的可能性是有多小,”Steinberg说。“我们蒙住外科医生的眼睛,并让他使用机器人来握住模拟血管(一根稻草充当的),并让他在感受到稻草后就不要动了。”当医生感觉到稻草后,机器人就会立刻停下,这样Steinberg就能确定器官不会受到任何损伤。我们能够观察到达芬奇标准反馈,是因为有3D高分辨率显示器,而这只是对传输性感触技术所需投入的管中一窥。试想一下,如果把这性技术真正投入应用,又需要我们投入多少资金和技术呢?“如果把这项技术投入使用,安装费只需几百元而非几十万。我们认为,在接下来的几十年里,我们能够找到办法来解决它。”Steinberg说。   

虽然剑桥大学研发中心想批准像Intuitive Surgical这样的公司使用这项技术,但是一项更传统的触觉反馈技术已经让这项技术进入了手术室。RIO机器人是专用于髋关节和膝关节手术的机器人。一个整形医生在做手术时想引导这个机器人,但是RIO在手术开始前就已经知道怎么做了——根据病人之前所拍的CT,它已经对整个手术过程有了清晰的了解。因此,如果人类外科医生在做手术时出了错,或者用力过大,RIO就会应用“触觉反馈”。这项技术的名字是Mako Surgical公司福罗里达州分公司取的,它的另外一个名字叫“力量反馈”,它能够阻止使用者继续使力。

如果机器人设计成能够自动对触觉反馈做出反应,那么触觉技术就会变得更有效率。   

但是,力量反馈并不能解决所有问题。当RIO外科机器人能够在一个清晰划分的区域内把信息反馈给使用者时,类似于RIO的机器人却已经在2010年墨西哥湾漏油和2011年福岛核电站核泄漏这样的事件中做出反馈,并在这些不可预测的情况产生的混乱中引导人们。研究者们必须改变研究方向,给以上这些工作环境中的操作者提供更多便利。他们的任务包括通过监测器在漆黑的石油内观测来拧动扳手或门把手,或者因辐射程度提高而产生的电离效应时发光闪动。   

除了研究如何将触觉以一种更有意义,更少干扰的方式来传递给使用者这个问题外,像SynTouch洛杉矶分公司这样的公司则是将目光专注于机器本身。如果一个机器人知道它触碰的是什么,为什么不根据它所触碰的东西来来做出相应的反应呢?SynTouch公司生产的BioTac感应器能够模仿人指尖的动作,探测力量,震动和温度。通过把这三项输入信号结合,装备有BioTac的机器手就可能把玻璃从金属中分辨出来(根据温度来调控)。但是由于使用者是人,所以机器人就能够很很便利地得到,并且充分利用信息。   

根据SynTouch公司的创始人和老板之一的Matt Borzage,这只是一个速度问题。“有人在时,机器手在握住东西时需要每秒做出成千上万种调整。如果它开始打滑,机器手就会对大脑发出信息,并接收大脑的指令。然而,这一过程所花费的时间太长,因此脊髓是同手臂连接的。”Borzage说。机器手若想达到像人类一样的精准度,并且一直避免乱动,就得独自行动。如果机器人一直等待收取操作者的触摸信号,然后对信号加工,再发出指令,这样的机器人就是一个迟钝笨拙的失败品。“这也是我们需要在机器手能够进行一些低级的条件反射(如模仿脊髓水平的条件反射)的原因。”Borzage说。   

影之手是世界上最灵巧的机器手,其制造者采用了这种基于反射层面的方法。“远程操控没有比采用复杂感测系统更好的办法了,因为你不能把信息又传回给操作者。”Shadow Robot公司的总经理Rich Walker说道。“你希望数据能够直接由机器人诠释出来,而不是原封不动的发回给人。”Shadow Robot公司伦敦分公司同SynTouch公司紧密合作,制造出了一款影之手BioTac工具箱,它能帮助研究型顾客将这系统同指尖传感器整合起来。但若想把加强型触觉技术应用于现实生活中,如原子能设施物料管理员使用的机器人,那么一个聪明,敏捷的操纵器则是比一个拥有触觉反馈系统的机器人更具有可行性。

触觉技术可能最终会带给机器人一种很强烈的“自我感”    

相对于现代的机器人,传统的触觉机器人已经被淘汰了,但这样说是不公平的。如果一定要在二者之间找出什么区别的话,现代的机器人更高级了。因为现代机器人不光有触觉,而且能把感觉跟人类分享。Kinova Systems蒙特利尔分公司现在研发操纵杆控制JACO钳式手臂的升级版触觉型机器人。这款机器手能放在轮椅上,供上半身行动不便的残疾人抓取并操纵物体,并且能让接触者感到很舒服。机器手完成这一切都是通过三个独立的,欠驱动“手指”来完成的。研究的第二个阶段就是把反馈信息反馈给操纵者,可能是通过一个机器手或者头巾来完成。要完成这个过程,首先要让机器手能够感觉并识别他们触碰的物体,并对其作出相应的反应。比如碰到一杯水,它就会水平地握着。只需足够的力道,就能够保持这种姿势,以免捏破玻璃杯。    

换句话说,触觉技术也许最终能够帮助机器人进步。如果像剑桥研发中心,Syntouch和Shadow Robot这样的公司能成功吸引机器人领域的主要玩家——那些将自己公司生产的系统应用在医院里,油井下,以及世界各大战场和灾区的公司——那么这些机器就更不需要监视了。因为机器人会在扳手掉入石油里之前就把它给拧好,或者在**的一团线中剪断其中的一根。我们就称它为开心的事故吧:在制造能够传输触感并且容易控制的机器的过程中,机器人专家首先要制造出能够更好的进行自我控制的机器。
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机器人网互动社区30位专家揭秘机器人产业野蛮生长的背后
第 1 楼

回复主题:机器人到底能有多敏感?

发布时间: 2015-5-21 下午4:40

作者: 绾绾兮兮

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