圖自：News.Stanford

10月21日，在世界機(jī)器人大會(huì)的主論壇上，來自斯坦福大學(xué)的 Oussama Khatib 教授做了名為《海洋一號(hào)：化身為海底探險(xiǎn)家的機(jī)器人》（Ocean One: A Robot Avatar for Oceanic Discovery）的演講，從演講英文名中我們可以看出這是一個(gè)海底“阿凡達(dá)”，人類的替身。

本文根據(jù) Khatib 教授現(xiàn)場(chǎng)演講整理，雷鋒網(wǎng)在不改變?cè)獾幕A(chǔ)上做了一定程度的修改。

(Oussama Khatib 教授正在演講)

對(duì)于人類來說，在海底工作是非常困難的，而機(jī)器人就是解決之道。

La Lunel 在法語中是“月亮”的意思，這是過去法國在 17 世紀(jì)一艘船的名字。它于 1664 年沉沒，當(dāng)時(shí)它從北非開回法國，距離法國南部海岸 20 英里的地方沉沒了。這艘船當(dāng)時(shí)沉沒的地方，距離海面 91米，如果人要進(jìn)到那個(gè)地方就必須進(jìn)行很好的保護(hù)，要把人放到水下服當(dāng)中，而且需要機(jī)械臂才能把人送到那個(gè)地方，因?yàn)槿嗽谶@么深的地方根本沒辦法活動(dòng)。

我們地球 70%  以上的地方都是水，人類通常潛水能達(dá)到的深度只有 40 米左右，而整個(gè)海洋中有太多珍貴的東西可以探索。

大多數(shù)的水下機(jī)器人都是用來導(dǎo)航或者觀測(cè)水下的物體，我們?nèi)祟愔荒茉谒贤ㄟ^機(jī)器人看水下的東西，而沒法在海底做什么其他的工作?，F(xiàn)在我們想解決的問題就是在水下進(jìn)行操作，這就需要我們有很好的操控技術(shù)。

“海洋一號(hào)”其實(shí)就是懷著這樣一個(gè)想法開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。它特別的一點(diǎn)是，人類不僅可以操控它，還可以通過它身上搭載的眾多傳感器來“感受”海底世界。其設(shè)計(jì)理念就是希望通過這種傳感式的交互實(shí)現(xiàn)操控，也就是說當(dāng)機(jī)器人觸摸什么東西的時(shí)候，你在船上也能夠感受到它。這是依靠一套“雙手觸覺反饋”系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。

我們斯坦福大學(xué)和 Macro Robotics 等一起合作。這里涉及到很多的傳感器，包括懸浮臂等等，這是我們?cè)谒固垢４髮W(xué)做測(cè)試的一張平臺(tái)圖。

除了很好的操控外，還需良好的移動(dòng)性（Mobility），這是另外一個(gè)大的挑戰(zhàn)。在移動(dòng)性方面，“Ashmo”機(jī)器人就做的非常好，它能單腿跳躍，做各種靈活的動(dòng)作，也能夠很好地和環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。

現(xiàn)在有一個(gè)被忽略的事實(shí)是，我們?yōu)闄C(jī)器人編寫程序的方法并沒有做到最好，如果單靠傳統(tǒng)編程方法實(shí)現(xiàn)“海洋一號(hào)”的感知、移動(dòng)等各種動(dòng)作，那所需的的編程量太大了。而且如果原有的任務(wù)發(fā)生少許改變，那么很多東西都要重寫。

對(duì)于在制造工廠和生產(chǎn)線當(dāng)中做重復(fù)相同任務(wù)的機(jī)器人來說，我們現(xiàn)在機(jī)器人編程并沒有問題，因?yàn)槿蝿?wù)都是相同的，我們不用重新編程。但是對(duì)于面臨危險(xiǎn)環(huán)境、復(fù)雜狀況的機(jī)器人來說，這就不夠。要通過對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，讓它們進(jìn)行實(shí)時(shí)的反應(yīng)來應(yīng)對(duì)高挑戰(zhàn)的環(huán)境是非常困難的。

所以這時(shí)候，人類需要機(jī)器人執(zhí)行挑戰(zhàn)性任務(wù)，機(jī)器人也需要人的幫助。“海洋一號(hào)”這種“觸覺交互”，意味著當(dāng)機(jī)器人遇到問題的時(shí)候人類能夠做出反應(yīng)，引導(dǎo)它渡過困難。我們當(dāng)然也需要對(duì)這種觸感進(jìn)行模擬（Simulation），所以對(duì)觸覺傳過來的信息也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行處理。我們需要將觸覺再現(xiàn)（Haptic Rendering）、觸覺顯示（ Haptic Display）、 觸覺遙操作（Haptic Teleoperation）等所有的這些整合到一起。

操控技術(shù)也十分重要，好的操控技術(shù)能開發(fā)出機(jī)器人的能力。這種操控技術(shù)改變了我們對(duì)機(jī)器人編程的方式。過去機(jī)器人有些固定的運(yùn)行軌跡，現(xiàn)在我們?cè)谄聊簧纤吹降膭?dòng)作，是沒有事先對(duì)運(yùn)行軌跡進(jìn)行任何規(guī)劃的。

首先機(jī)器人要能夠識(shí)別出某個(gè)特定的東西，然后進(jìn)行一些非常復(fù)雜的操作，運(yùn)行軌跡也不是固定的，甚至還要能夠感知到重量，并且對(duì)這個(gè)重量做出一些反饋，這樣的話才能完成一些任務(wù)，并且也希望機(jī)器人從人類機(jī)能當(dāng)中學(xué)習(xí)到一些東西，現(xiàn)在機(jī)器人對(duì)于不同的材料、地質(zhì)、環(huán)境等可以進(jìn)行規(guī)劃總結(jié)，就算我們故意為其設(shè)置阻礙，它仍能完成任務(wù)。

有的時(shí)候我們還需要和機(jī)器人進(jìn)行實(shí)際的互動(dòng)，還是剛才提到的機(jī)器人“Ashmo”，我們會(huì)訓(xùn)練讓它躲開前面的東西，不要碰到人類的手。某些情況我們是需要一些人工工作的，因?yàn)檫@些地方都是非常危險(xiǎn)的環(huán)境。

現(xiàn)在可以與人交互的機(jī)器人，更多的還是設(shè)置在室內(nèi)、屏蔽的環(huán)境里運(yùn)行，到了比較復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，可與人交互的機(jī)器人做的事情并不多。我們需要充分利用這些外部復(fù)雜環(huán)境本身，一旦機(jī)器人和外界有接觸就會(huì)面臨一些反向力，包括地面如果是斜的話情況又會(huì)不一樣，也會(huì)使得機(jī)器人的反應(yīng)發(fā)生變化。如果可以和所有的接觸力量處理好的話就可以實(shí)現(xiàn)爬行，但這是非常復(fù)雜的，所以我們需要開發(fā)好的模型來控制它。

我們也可以讓機(jī)器人使用一些人類使用的工具，比如機(jī)器人可以加上一些拐杖來行走，這樣的話就可以延伸機(jī)器人的支撐，并且可以在一些環(huán)境之下進(jìn)行操作。當(dāng)然，這同樣也是需要它在各個(gè)接觸點(diǎn)上面的力來進(jìn)行反饋，這個(gè)對(duì)機(jī)器人的性能也有巨大的影響。

“海洋一號(hào)”在設(shè)計(jì)上是一個(gè)一體化的機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人的身子還是很重的，所以當(dāng)它和外界進(jìn)行接觸的時(shí)候我們要保證機(jī)器人臂能夠很好地反應(yīng)，它的機(jī)器人臂是可以彎曲的。除此之外，這個(gè)機(jī)器人能夠根據(jù)任務(wù)的情況來調(diào)整它的狀態(tài)，如果需要操縱多個(gè)物體的話也需要進(jìn)行這種反應(yīng)。這個(gè)對(duì)機(jī)器人的控制和良好的工作來說是非常重要的，并且也要看它在實(shí)際環(huán)境當(dāng)中表現(xiàn)得怎么樣。

而且機(jī)器人必須要能夠?qū)崟r(shí)和人類進(jìn)行互動(dòng)，人類應(yīng)該能夠隨時(shí)干預(yù)機(jī)器人的行為。這是我們的控制界面，包括控制它的導(dǎo)航和動(dòng)作，也可以結(jié)合機(jī)器人進(jìn)行互動(dòng)。

一開始，我們把“海洋一號(hào)”放到了斯坦福大學(xué)的一個(gè)游泳池里測(cè)試，機(jī)器人可以在里面游行，很多的學(xué)生也非常喜歡和機(jī)器人一起自拍，他們都在池邊看機(jī)器人的表現(xiàn)。機(jī)器人準(zhǔn)備好了之后，我們把它運(yùn)到地中海，之后用這個(gè)機(jī)器人來做一些水下地質(zhì)勘探的工作，讓機(jī)器人潛入真實(shí)的大海中進(jìn)行第一次探險(xiǎn)。

一開始在海面，因?yàn)橛醒罅鞯挠绊?，它可能?huì)撞上船，這是有點(diǎn)危險(xiǎn)的，但是一旦下去以后就能夠開始自己巡游?！昂Ｑ笠惶?hào)”可以在水下與潛水員協(xié)作共同執(zhí)行任務(wù)，所以它就成了兩個(gè)人的溝通媒介，一個(gè)是船上的指揮者，一個(gè)是水里的潛水員。

（圖自：News.Stanford）

一開始人機(jī)協(xié)作還只是在 15 米深的海里，之后我們就跟它揮手拜拜，它要獨(dú)自下降到更深的海域了。我不知道大家是否真的了解到 90 米深的時(shí)候是什么樣子，海底非常的黑暗，我們把攝像機(jī)和照明設(shè)備放到里面。每下 1 米我們都感到非常的緊張，因?yàn)槲覀儾恢赖摹昂Ｑ笠惶?hào)”在這個(gè)深度下面是不是能夠存活。

我們一直在監(jiān)測(cè)水壓，在操作室和控制室里可以看到船底下的照明燈的情況，到了 80 米的時(shí)候就可以看到下面有些突起的東西。這個(gè)船上有兩個(gè)大炮，也有多角度的畫面，當(dāng)我們接近這個(gè)船的表面的時(shí)候，就慢慢地告訴我們已經(jīng)接近了船身。

實(shí)際上我們機(jī)器人已經(jīng)下到了“月亮”號(hào)所在的深度，通過機(jī)器人能夠看到船的具體的情況。中間一段時(shí)間，機(jī)器人的左臂被船上的大炮卡住了，沒有辦法動(dòng)，當(dāng)時(shí)整個(gè)任務(wù)幾乎面臨中止的窘境。但是因?yàn)檫@個(gè)機(jī)器人有胳膊可以支撐著走，我們通過讓它落地，引導(dǎo)它的胳膊肘進(jìn)行了拐動(dòng)，一下子就從卡住的地方出來了?！昂Ｑ笠惶?hào)”之后進(jìn)一步潛行到另外一個(gè)地方，繼續(xù)查看“月亮”號(hào)。

這是我們從船上打撈出來的一些東西，“海洋一號(hào)”將物品放到一個(gè)特殊的容器之后，船上的人員把物品從水下直接拉起。

我們從船上找到一些珍寶，很多都是來自于 17 世紀(jì)的，而很多其它的機(jī)器人或者操控的設(shè)備會(huì)很容易打碎這些東西。這是 350 年前的一個(gè)古董花瓶，已經(jīng)在水下待了 300 多年，這是 300 多年以來第一次有人觸摸到它，并且把它帶回到水上。

（Oussama Khatib 教授手拿剛打撈上來的古董花瓶，圖自：News.Stanford）

“月亮”號(hào)已經(jīng)在地中海的海底待了好多年，我們把船上很多古代的物品都放到了一個(gè)盒子里面，然后讓這個(gè)盒子浮到水面上。船上的工作人員看到這些物品的時(shí)候都非常的激動(dòng)，讓一個(gè)機(jī)器人深入海底，能夠在海底存活，又把這些古代的古董打撈起來，真是太激動(dòng)人心了。我們打開香檳慶祝，對(duì)于所有為此做出貢獻(xiàn)的團(tuán)隊(duì)都相互表示祝賀。

（參與這次任務(wù)的團(tuán)隊(duì)成員）

我們之后把“海洋一號(hào)”放到當(dāng)?shù)氐牟┪镳^展出了幾天，“月亮”號(hào)任務(wù)的完成，離不開很多機(jī)構(gòu)的協(xié)助，這對(duì)我們來講是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但也是非常令人激動(dòng)的工作成果。

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