現(xiàn)在是進入機器人領域的前所未有的好時機：處理能力與日俱增，傳感器技術(shù)從根本上得到改善，成本也在不斷降低。最重要的是，控制這些機器人所需要的軟件越來越容易獲得。盡管擁有光明的發(fā)展前景，但是現(xiàn)在的機器人還不能稱之為符合阿西莫夫(Asimov)機器人三定律的智能機器人。
但是市場上仍然出現(xiàn)了幾款成功的商用機器人和軍用機器人。例如，iRobot公司的Roomba吸塵器采用基于行為的編程方式。Qinetiq公司的Dragon Runner已經(jīng)在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭中派上用場。Roomba吸塵器是完全自主型機器人，Dragon Runner則是遙控機器人。
機器人的研發(fā)
相當多的研究人員都在研究自主和半自主機器人。隨著新晉程序員和工程師參加美國三一學院(Trinity College)的家用機器人滅火比賽和FIRST機器人大賽等比賽，這種研發(fā)工作開始發(fā)揮作用。
這些學生將從大學期間所做的研究中受益，甚至將受益于商業(yè)領域的研究。樂高(Lego)公司的Mindstorms機器人玩具和美國
國家儀器(NI)公司的LabVIEW機器人等產(chǎn)品正在使機器人實驗變得更方便。
有時候大小和性能在機器人研究中也有影響。這就是Willow Garage公司的開源機器人PR2體積龐大的原因(圖1a)。PR2運行機器人操作系統(tǒng)(ROS)，在與人一般大小的自主機器人內(nèi)集成了一些重型機械、計算機硬件和軟件。
圖1：ROS運行在眾多類似Willow Garage公司的PR2(a)和Bilibot(b)這樣的平臺上。
Bilibot將iRobot Create與微軟的Kinect結(jié)合在一起
PR2的計算引擎具有一對四核英特爾Xeon Core i7處理器和24GB糾錯碼(ECC)內(nèi)存。它擁有0.5TB的硬盤驅(qū)動器和1.5TB的移動硬盤。此外還有一個32Gbps的吉比特以太網(wǎng)開關(guān)和用于馬達控制的EtherCAT網(wǎng)絡。主干以太網(wǎng)用于包含攝像頭在內(nèi)的各種連接。該網(wǎng)絡可連接到Wi-Fi和藍牙無線網(wǎng)絡。
該硬件完全采用1.3kW鋰離子電池組供電時可工作兩小時。兩小時的時間對于有些應用而言可能比較短，不過用于測試則綽綽有余(PR2主要用于測試)。這個系統(tǒng)的背面還有一個運行-停止緊急按鈕，該按鈕可以禁用驅(qū)動馬達，而使機器人的其余部分保持活動狀態(tài)。同時還提供了無線版本。
PR2的手臂看起來比較古怪，但它們采用了很有意思的設計。其無源彈簧平衡系統(tǒng)即使在斷電情況下也可使手臂保持原位不動。這還意味著，手臂可反向驅(qū)動，因此不需要破壞它們或者不需要與伺服系統(tǒng)斗爭即可推動或移動它們。
許多裝配線上的機器人手臂都非常笨重，這使得快速移動比較困難。當它們意外地碰到物體時也缺少反饋。不過PR2的手臂具有八自由度。
PR2也裝載了傳感器。它的兩個Hokuyo UTM-30LX激
光傳感器可提供精確的范圍信息(圖2)。一個傳感器安裝在全方位平臺上，一個傳感器安裝在下巴上。光是頭部就安裝了六個以上的攝像頭，包括幾個立體攝像頭和帶窄角立體攝像頭的LED紋理投影機。
PR2可能需要的一個傳感器是微軟的Kinect Xbox 360。面向Kinect的底層技術(shù)由PrimeSense公司開發(fā)，可以解決機器人設計工程師幾十年來一直在努力解決的一個難題：如何獲得機器人環(huán)境的良好的三維表現(xiàn)形式？
Hokuyo激光掃描儀等產(chǎn)品就是一種解決方案。與許多備選方案相比，Hokuyo激光掃描儀確實不貴，不過它的價位仍在1000美元左右。Hokuyo激光掃描儀的優(yōu)勢在于其精度。Kinect的價格便宜10倍，但是它的精度損失程度也差不多是10倍。另一方面，PrimeSense整合了視頻和位置信息。這對于游戲軟件和機器人來講非常有用。Kinect可提供30幀/秒的VGA分辨率。
機器人可以通過這一信息來識別和避免障礙物。它還可以通過Kinect在游戲中使用的交互方式，利用該數(shù)據(jù)實現(xiàn)與人(可認為是障礙物)的交互。這種使用圖像和激光系統(tǒng)的研究在大學中仍在進行，但是PrimeSense技術(shù)將使這個過程更加簡單和經(jīng)濟。
甚至出現(xiàn)了一個OpenNI(自然交互)組織，該組織致力于通過Kinect中所使用的技術(shù)等各種技術(shù)支持用于用戶交互的開放框架。OpenNI的框架將對機器人很有用，但也不局限于這個領域。
Bilibot是一個整合了ROS和Kinect的機器人(圖1b)。其未來版本可能會采用PrimeSense公司的傳感器來取代Kinect，這是因為Kinect需要額外的電源，而PrimeSense模塊不需要USB電源。
Bilobot基于iRobot的Create平臺構(gòu)建，該平臺運行8位Atmel ATMega微控制器。它擁有可放置筆記本電腦或移動PC的平臺。PC采用類似Kinect的智能移動平臺。
與PR2類似，Bilibot的設計旨在用于研究，因此靈活性和計算能力是關(guān)鍵因素。專用系統(tǒng)可能尺寸更小，價格更便宜，但這其中的界線往往是機器人研究者比較棘手的問題。
四旋翼直升機ROS
美國賓夕法尼亞大學的GRASP(通用機器人、自動化、傳感和感知)實驗室也采用了機器人操作系統(tǒng)。該實驗室的四旋翼直升機機器人運行ROS并具有無線連接功能，可實現(xiàn)多個機器人協(xié)同工作(圖3)。這些機器人可以配備夾具，這樣就可以撿拾落在它們下面的物體。
圖3：美國賓夕法尼亞大學GRASP實驗室的四旋翼直升機機器人可以協(xié)同工作來構(gòu)建結(jié)構(gòu)
該四旋翼直升機具有一套穩(wěn)定的飛行系統(tǒng)，可以輕松地向任何方向移動。請查看GRASP網(wǎng)站(www.grasp.upenn.edu/)上的視頻。令人印象深刻的是由三個機器人構(gòu)建的一個簡單結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的接合處包含了磁鐵，從而使結(jié)構(gòu)的構(gòu)建更加簡單。
多個四旋翼直升機機器人被用來共同移動一個物體，這是一個機器人單獨做不到的。多個機器人的組合還可以實現(xiàn)更夸張的動作。四旋翼直升機機器人可以表演驚人的雜技，穿過窗戶和鐵圈飛行，甚至可以貼在墻上。此外，它們可以自主運行。
這些實驗中的四旋翼直升機有一個優(yōu)勢。它們使用外部視頻傳感器傳回的信息。傳感器和機器人組成的網(wǎng)絡通過ROS連接在一起。
ROS：機器人操作系統(tǒng)
ROS是一種分布式系統(tǒng)。ROS系統(tǒng)由一組節(jié)點組成，這些節(jié)點運行通過消息傳遞系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)包。每個節(jié)點本質(zhì)上都是網(wǎng)絡中的一個小型Web服務器。
至少有一個主節(jié)點提供服務命名和注冊設施。該主節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)上的域名服務(DNS)服務器的功能基本類似。復雜的ROS系統(tǒng)中可能有多個主節(jié)點。這些主節(jié)點之間相互交換信息，從而使處于該環(huán)境中的其它節(jié)點能夠找到服務。
這些節(jié)點能夠以客戶機/服務器模式以及發(fā)布/訂閱模式工作?？蛻魴C/服務器模式可提供直接交互，而發(fā)布/訂閱模式一般與傳感器配合使用。例如，傳感器可能在檢測到變化時發(fā)布一個包含新信息的主題。
如果有遙感器和控制功能，則機器人可能擁有單個與之相關(guān)聯(lián)的節(jié)點。機器人也可以是一個完全獨立的系統(tǒng)。甚至遙控接口也可以是一個節(jié)點。
數(shù)據(jù)包可以收集到堆棧中。堆棧和ROS的目標通常是為最少量的工作和結(jié)構(gòu)提供最多的功能。這就提供了一個比較靈活的環(huán)境，允許更方便地更改設備和算法，并且包含盡可能多的標準的復用。
例如，XML可能用來定義堆棧清單。ROS網(wǎng)站(www.ros.org)提供了許多數(shù)據(jù)包和堆棧的鏈接。ROS導航堆棧是一個項目中普遍包含的項。
另一個廣泛使用的ROS數(shù)據(jù)包是點云庫(PCL)。它為濾波、下采樣、三維特征估算、注冊、表面重建和分段等操作提供算法。點云庫對于3D環(huán)境中的工作必不可少。由于需應對3D環(huán)境的諸多挑戰(zhàn)，許多簡單的機器人項目在2D環(huán)境下能夠有效工作。
多個ROS數(shù)據(jù)包采用Willow Garage支持的OpenCV庫。OpenCV是一個開源計算機版本庫。它為來自攝像頭和雷達系統(tǒng)等裝置的數(shù)據(jù)提供圖像處理。它甚至還包含各種輔助機器學習的功能。
人工智能在一些提供規(guī)劃的現(xiàn)有ROS數(shù)據(jù)包中開始發(fā)揮作用。IBM的Watson等平臺集成了自然語言處理(NLP)。這些平臺可能對與人交互的機器人有用，并且可能作為ROS數(shù)據(jù)包附帶。
ROS從根本上是一個用于各種機器人(包括自主和半自主裝置)的研究平臺，因此它在生產(chǎn)系統(tǒng)可能需要的一些裝置(如安全性)之前出現(xiàn)。可以通過VPN保護通信安全，因為VPN無法實現(xiàn)細粒度管理控制，但這是另一個研究領域。
遠程呈現(xiàn)是另一個成功案例
Qinetiq公司的Dragon Runner和iRobot公司的Packbot等半自主機器人經(jīng)常被用于拆除炸 彈。這種機器人可以讓控制器操縱機器人，不過這種操作往往是單向操作。
遠程呈現(xiàn)(Telepresence)機器人可以實現(xiàn)控制器與機器人看到的人之間的雙向交互。許多遠程呈現(xiàn)機器人已經(jīng)面市，包括Willow Garage公司的Texia、Gostai公司的Jazz Connect、Anybots公司的QB以及VGo Communications公司的VGo(圖4)。
圖4：遠端呈現(xiàn)機器人種類多樣，包括Willow Garage公司的Texia(a)、Gostai公司的Jazz Connect(b)、Anybots公司的QB(c)以及VGo Communications公司的VGo(d)。
Texia運行ROS。與PR2類似，ROS被設計成一種研究平臺?，F(xiàn)在已經(jīng)可以購買到面向商用設計的其它平臺。這些平臺被設計用于通過Web瀏覽器進行簡單操作。它們可以實現(xiàn)雙向音視頻會議。
Gostai的Jazz Connect可以翻滾，而Anybot QB可以表演平衡動作。雙輪機器人必須保持平衡，但是這類機器人的功耗不一定比相應的多輪機器人的功耗高，因為保持平衡并不需要耗費多少功率。
Gostai提供各種版本的Jazz機器人。Jazz Security機器人可以自主運行，也可以遙控工作。它集成了一個激光
測距儀，可以實現(xiàn)更精確的傳感，這使得它能夠創(chuàng)建詳細的地圖。
Gostai公司還擁有自己的名為Urbi的機器人編程環(huán)境，盡管Urbi應用可以獨立運行，但該平臺還是與ROS集成在一起。Urbi環(huán)境的許多組成部分都是開源的。
Vgo雙輪遠程呈現(xiàn)機器人與Anybot QB十分相似。這款機器人高4英尺，價格不到6000美元，具有內(nèi)置的Wi-Fi、一個攝像頭和一個顯示屏。VGo這類遠程呈現(xiàn)機器人可以讓像Lyndon Baty這樣免疫系統(tǒng)十分脆弱的群體去實現(xiàn)他們無法做的事情。在Lyndon的案例中，Lyndon無法做的事情就是在德克薩斯州諾克斯市的高中上學。他具有由于腎移植引起的多囊腎病，必須避免與他人接觸。
對于越來越多的應用而言，機器人正成為更加有用和現(xiàn)實的替代方案。盡管還有很多工作要做，但是像ROS這樣的框架將有助于改變現(xiàn)狀。
