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美国波士顿机器人无所不能?伊朗Surena IV表示不服!

2020-03-18 EDN China 阅读:
美国波士顿机器人无所不能?伊朗Surena IV表示不服!
伊朗大放豪言表示推出迄今为止最先进的类人机器人Surena,是否真的能超越波士顿Atlas机器人,成为迄今为止最先进的类人机器人呢?要知道,类人机器人涉及到了神经学、仿生学、控制论、人工智能AI等多个学科和技术。我们将从技术角度对其进行对比,并探讨谁会是下一代机器人?

即使长期被美国武力压制,但伊朗的科技水平似乎并没有落后太多,2019年6网传的“伊朗击落美国价值一亿美金的全球鹰无人侦察机”,虽这则消息备受质疑,但伊朗却于2020年2月展示其击落的全球鹰RQ-4残骸,力证自己科技强国的地位。muCednc

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此外,伊朗媒体还报道称目前手里已俘获美国7架的先进无人机,还利用激光武器“致盲” 美国中央情报局 ( CIA)的间谍卫星,甚至表示已经掌握核燃料循环使用、重构GPS信号的能力。muCednc

伊朗这一系列举动及报道再次引起全球一片哗然,尽管如此,有专业人士认为目前伊朗的整体科技水平仍然无法与美国相提并论。但日前IEEE Spectrum发表的一篇权威文章《伊朗推出迄今为止最先进的类人机器人Surena IV》(Surena,音译:苏雷娜),却似乎在反驳“美国力压伊朗”。muCednc

众所周知,在机器人领域,从波士顿动力Boston Dynamics第一次放出Atlas机器人的视频以来,每一次出现新视频都会在网上引起一波轰动。波士顿Atlas机器人不仅能够站立行走、搬运重物、双脚跳跃、跑步、后空翻、在崎岖的底面上行走、单腿站立,过独木桥,甚至被人推或踢也能在摇晃后仍然保持平衡站立,如此强大的功能使其圈粉无数。muCednc

如今伊朗大放豪言表示推出迄今为止最先进的类人机器人Surena,是否真的能超越波士顿Atlas机器人,成为迄今为止最先进的类人机器人呢?要知道,类人机器人涉及到了神经学、仿生学、控制论、人工智能AI等多个学科和技术。我们将从技术角度对其进行对比,并探讨谁会是下一代机器人?muCednc

无所不能的波士顿Atlas机器人

众所周知,波士顿机器人一直是类人(人形)机器人界的明星“表演者”,无论是跳跃、翻滚、360°自旋转,还是做体操,都在一步一步的升级进化,似乎无“人”出其右。因此其每次推出新的视频,都能牢牢吸引着行业和爱好者的目光。muCednc

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Atlas 用两只手撑住地面,形成倒立muCednc

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原地 180 度空中转体动作,再来了一个前空翻muCednc

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原地 360 度空中转体之后归位muCednc

早在2017年,它就掌握了后空翻,跳跃、旋转、后空翻,一气呵成的连招震惊世界。而最新的波士顿Atlas则可以做体操了。muCednc

要完成这一系列的花式动作,不仅需要确定自己的位置,知道周围的环境,当然还有一系列运动控制。muCednc

那Atlas是靠什么来感知环境,来完成这一系列的花式动作的呢?muCednc

我们深入了解了Atlas的内部结构,发现它采用了Carnegie Robotics设计的Multisense SL传感器头。muCednc

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配备有旋转LIDAR扫描仪和立体相机的Boston Dynamics Atlas人形机器人和Carnegie Robotics Multisense SL传感器头。muCednc

如图所示,该机器人配备了由Carnegie Robotics设计的Multisense SL传感器头,该传感器头将固定的双目立体摄像机与安装在主轴上的Hokuyo UTM-30LX-EW平面LIDAR传感器相结合,主轴的旋转速度高达30 RPM。 LIDAR每秒捕获40条环境扫描线,每条包含1081个范围,返回的最大范围为30米。muCednc

下面是MultiSense SL/MultiSense SLB的介绍:muCednc

MultiSense SLB是三模态(激光,3D立体声和视频),高分辨率,高数据速率和高精度3D范围传感器的第二代产品。该传感器适用于各种机器人技术,自动化和传感应用,例如自动驾驶汽车,3D映射和工作空间理解。MultiSense SLB与一个低功耗FPGA处理器一起包装在坚固,紧凑的外壳中,并在工厂进行了预先校准。muCednc

原始的MultiSense SL是DARPA机器人挑战赛(DRC)中Atlas类人机器人的首选传感器。作为人形机器人的“头”,SL提供了用于遥控和自动控制的大部分感知数据。在2013年的试验中,8个得分最高的团队中有5个使用了Carnegie Robotics SL传感器头。muCednc

MultiSense SLB通过旋转的激光和立体相机生成3D点云,这些点云在传感器上进行了精确对齐和着色。立体声传感器以高帧速率提供极其密集的“全帧”范围数据,并以旋转速率较低的速率的高精度数据提供了补充。传感器还可以输出标准彩色视频。muCednc

MultiSense SL将Hokuyo UTM-30LX-EW激光器和Carnegie Robotics更新的MultiSense S7高分辨率立体相机结合在一起,形成融合的GigE设备。每秒输出43,000点的Hokuyo在主轴上以用户指定的速度轴向旋转。立体摄像机的基线为7厘米,可以配置2或4兆像素传感器,使其成为迄今为止最高分辨率的商用立体摄像机。机载处理处理图像校正,立体声数据处理,激光数据与主轴编码器的时间同步,主轴电机控制,照明定时以及管理GigE接口。GigE输出包括即用型格式的时间同步激光和立体声数据。这种架构的优点是立体声处理不需要强大的外部计算机,并且用户不需要提供立体声处理算法或立体声/激光校准。每个MultiSense传感器出厂时均已完全校准。muCednc

MultiSense SLB的立体声部分每秒可以找到超过1100万个功能匹配项。卡内基机器人公司执行的精确校准过程创建了必要的信息,以将像素级信息转换为准确的范围测量,同时还补偿了镜头变形,镜头对准的微小变化以及其他制造公差。如果需要,可以通过将彩色图像数据叠加到点云上来增强立体点云,从而获得引人注目的低延迟,逼真的3D数据集。muCednc

易于使用的基于ROS的API和工具可让您查看实时图像和3D范围数据;调整激光,相机和立体声参数;日志数据;回放日志;检查设备的校准;并更改传感器的IP地址。开源C ++库和千兆以太网接口使将实时数据轻松集成到机器人,车辆,移动设备,实验室环境或其他应用程序中变得很容易。muCednc

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高温下的MultiSense单元热测试(50°C)muCednc

Surena(苏雷娜)能否超越波士顿?

波士顿Atlas机器人表现如此出色,那么号称迄今为止最先进的类人机器人Surena 4有何先进之处呢?muCednc

据IEEE Spectrum在2020年2月13日发表的文章中描述:Surena 4新机器人是对以前设计的重大改进。突出的动作是它能模仿人的姿势,抓住水瓶并将其名字写在白板上,Surena 4还自己拿起手机,与人类友人自拍合影留念,自己步行走出学校大门,以及抓捧大的球形物体等等各种全身动作。muCednc

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而这些动作在类人机器人研究史上一直没有做到,特别是抓住水瓶,在人类看来很简单,但是让机器人抓住水瓶,不仅需要知道位置,还需要“拿捏”轻重。拿起手机走到人群的C位,并自拍合影,更是想象不到。muCednc

与波士顿Atlas单调的前后翻滚和旋转比起来,Surena几乎能够进行全身运动,并完成各种生活中的动作,TA才是真正的接近生活,花式!多样化!muCednc

据了解,Surena 由伊朗德黑兰大学机械工程学教授尤塞菲·科马博士在50多名研究人员的领导下在CAST(先进系统和技术中心)开发。muCednc

Surena机器人的第一代(SURENA I,2008年)只有8个自由度(DoF),第二代(SURENA II,2010年)有22个自由度,行走速度为每秒0.03米。与拥有31 DoF的第三代(SURENA III,2015)相比,新型第四代机器人(Surena IV,2019)具有43 DoF和更高的手部灵活性,使其能够抓握具有不同形状的不同物体。Surena 4高1.7米,重68公斤;它比Surena III(98公斤高和1.9米高)更轻巧,更小,这归功于其基于拓扑优化的更好的结构设计,紧凑的定制执行器设计以及SLA 3D打印技术。muCednc

在新一代Surena 4中,通过利用FPGA板,控制环路频率已提高到200 Hz,从而可以实现在线控制器和估计器。通过机器人操作系统(ROS),状态监控,算法的实时实现以及多个程序的同时运行变得非常简单。muCednc

Surena 4具有面部检测和计数,物体检测和位置测量,活动检测,语音识别和语音合成的能力,从而实现了更好的语音用户界面。通过结合AI能力和全身运动计划,实现了在线抓握,面部和物体跟随以及动作模仿。muCednc

Surena 4可以以0.7公里/小时的速度连续行走。它可以通过其底部的新型接触传感器在不平坦的地形上行走。CAST的研究人员开发了在线接触控制器,以在踩踏过程中调节脚的角度和位置。凉亭,类动物群和MATLAB已用于模拟机器人的运动并评估不同的场景,包括上半身和下半身的运动(例如,侧向行走,向后行走,转身和推举恢复)。muCednc

本文将Surena 4与波士顿Atlas的各项指标做了简单的对比:muCednc

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虽然Surena 4并不像波士顿的敏捷类人机器人那样高动态,但是能够依赖控制器来控制全身的运动,以此来调整姿势避免摔倒。muCednc

Surena人型机器人从2008年第一代发布到现在已经走了很长一段路程,从最初的基本版到现在能够行走并且拥有攀爬和踢球等技能,可以说是一个很大的跨越。而为了能够让这款产品更加的先进,伊朗的科学团队重新设计了这几个组件,并且开发出新型的轻结构元素和功能强大外形小巧的自定义驱动器,最终使得这款机器人虽然身高达到1米7,体重达到68公斤的新一代Surena比1米9,98公斤的上代更轻巧,也更紧凑。时至今日Surena IV的运动和交互能力已经达到了世界的顶级水平。muCednc

另一个进步就是在机器人的控制器上,因为添加了FPGA板控制环路,所有现在可以在比之前更高的频率下工作。而传感器包括立体摄影机,关节上的编码器和惯性测量单元,同时配有文本转语音识别系统,识别生成基本语言以及在脚裸处安装的六轴力/扭矩的传感器。muCednc

Surena 4集成了机器人操作系统(ROS),所有控制器和传感器都可以一起运行。 它使用了MATLAB和Gazebo等不同的软件来模拟各种行为,例如转身或向后走。 而这次升级并不仅仅体现在机器人的内部构造上,同时在外观上也采用了新型的塑料盖材质,让Surena 4整体看起来更圆润,不像钢铁材质那么危险。muCednc

根据尤塞菲·科马教授的说法,新一代Surena 4机器人代表了技术的进步。muCednc

NASA挑战更高目标

尽管波士顿Atlas与Surena人形机器人有各自的优势,在某些方面甚至能够超过人类,但是都还没有进入实用阶段,在科学界和某些实际的应用领域还远远达不到人们的要求,特别是一些特殊的领域和场合。包括NASA所要求的太空登陆机器人、制造业机器人、服务行业机器人、医疗保健机器人等。muCednc

NASA需要更大挑战的太空机器人muCednc

2019年9月30日,NAS(美国航空航天局),决定抛弃现有的平台(Atlas,Digit,Valkyrie等平台),公开聘请工程师开发“下一代人形机器人”。muCednc

NASA对下一代人形机器人的要求是:muCednc

在现有的Valkyrie和Robonaut 2人形机器人的成功基础上,提高NASA的能力,可以将人类的远程存在和灵巧的操纵能力投射到太空和地球上充满挑战,危险和遥远的环境中。muCednc

为什么NASA要抛弃现有平台,重新打造下一代机器人呢?muCednc

原因可能是:muCednc

NASA现有的类人机器人(包括Robonaut 2  和Valkyrie)被设计为在地球上运行。尽管Robonaut 2最终还是去了太空  (它最近被送回地球进行维修),但是它的硬件可能从来没有打算在国际空间站之外运行。muCednc

下一代机器人需要在真空中进行工作涉及设计一系列更为严峻的环境挑战,在月球或火星上到处都是高磨蚀性灰尘的环境下,情况会变得更加糟糕,因此需要更高要求的机器人。muCednc

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