无线机器人的进化 - 机器人技术 - 电子工程师俱乐部

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为我们深入浅出的介绍无线机器人的所有内幕：它们的构成、它们的缺点、以及它们是如何在一个专业环境下的竞争/合作集体中相互作用。我们还了解聪明的机器人如何让我们从乏味无聊的或者是危险的任务中解放出来。

无线机器人能让我们更轻松、舒适，更安全。虽然现阶段的无线机器人还处在实验室阶段，但是机器人技术的进步让它正在越来越接近我们的生活。这篇文章我给大家说明无线机器人是什么以及它是如何进化的。首先，我要介绍机器人的组成部分。然后，我再介绍机器人如何在办公、工业以及军事环境下独立或者协同工作。最后，我列举了一些它们的缺点和一些应对的方法。

<strong>机器人构成概要</strong>

机器人的身体构造不尽相同，从小体积的小车机器人到大个的人形机器人。机械手臂即可以轻轻的抓起一个鸡蛋，也可以代替人类在流水线上进行枯燥乏味的重复性工作。机器人还能代替人类执行一些危险的任务，比如深海机器人可以从随时可能因为轻微扰动而崩塌的暗礁中取出失落的物品。

不管有没有类似于“脸”的部分，机器人都装备有一些机械设备或者传感器（基本的视觉和图案识别）。还有一些运动学的程序和类似于真实世界声音的发声器。很多机器人都有无线通信装置，使之能够在人的操控下与外界环境交互。

无论任何形式的机器人都肯定有一个“大脑”。这个大脑就是指微控制系统（MCU），就像你的台式电脑或者笔记本电脑里的CPU一样。但是它没有CPU那么消耗电和内存。它们通常只用来执行特定的任务，比如人脸识别或者指纹识别的处理芯片。

<strong>机器人与它的环境</strong>

一个机器人能够在什么程度与环境交互，在于它在执行指定任务前时环境了解多少。在David Bruemer和Ron Rujam的《基于行为的机械人：机械人的学习》（参考资源）一个机器人要想在遥远的行星上采集岩石样本，首先要“花足够的时间确定穿越行星表面的策略”。这意味着机器人必须在没有人为干预的情况下，调整自身的行为去适应未知的环境条件。

另一方面，在战场上的军用机器人就没有那么多闲情逸致去适应环境，这个时候远程遥控的人的反应能力就是制胜的关键了。机器人要学习如何执行不同的任务，那就在战场之外的军事训练场所慢慢进行。

不是所有的机器人都能完全自动。有些机器人无法适应未知的或者不常见的环境条件。这些机器人需要依靠能够引入人工协助和引导的可调节自治技术（见资源部分《袋鼠机器人的可调节自治技术》）。

<strong>3C：合作、竞争和控制</strong>

无线机器人还可以在多样、多角度的控制下进行合作（袋鼠机器人系统）或者竞争（如腿形足球机器人）。

<strong>袋鼠机器人系统</strong>

袋鼠机器人就像袋鼠的家族一样，一个大的母袋鼠装着几个小的袋鼠。“母袋鼠”有一个供“小袋鼠”停靠和出发的“泊车位”。当母袋鼠的视觉系统受损时，小袋鼠可以通过无线通信和可调节自治功能为母袋鼠提供信息。袋鼠机器人系统可以在搜索营救和处理危险原料任务上大显神通。

在工业应用中，一个母袋鼠有可能扮演经理的角色，而很多的小袋鼠则类似于各个部门的公司职员。每天上班的时候经理会来到现场巡视一遍职员然后指派给它们什么时候、怎么样完成任务，帮助它们的人类同事完成重复性工作。完成后要回到经理那里继续接受任务工作或者休息。

不过现在这个系统还在研发阶段，最终很可能运用无线技术。

<strong>足球机器人</strong>

袋鼠机器人的特点是它们是完全合作的关系，没有任何的竞争因素。机器人世界杯正是一个“多智能体协作和高动态环境下的控制”的例子（见资源 “RoboCup 2001”），这意味着竞赛的不仅仅是协作，还有控制。

机器人世界杯是一年一度的绿茵场上的比赛。比赛的有趣之处在于每个机器人（两种视觉方式：全局视觉或者本机上的单一视觉）都有可调自治技术。那些带有全局视觉的机器人安装有一个高架在头顶的象帽子一样的摄像机，通过无线网与场外的PC通讯让“场外的人通过视频图像确认和跟踪机器人的路线”。而单一视觉的机器人则预先处理信息后才向PC发送。

<strong>让机器人更聪明</strong>

Bruemer和Rujam将机器人的学习分成四个部分：智能神经网络、强化学习、进化学习和模仿式学习。第一种是一种监管式的方法，第二、三种是非监管式的，而第四种是应用了仿生学发展模式的方法。

以上三种方式的有一个问题，那就是它们都是任务导向的。我觉得应该加入动作导向的学习方式：一个办公室的机器人助理要学习新的动作，则必须事先植入知识库芯片或者能访问高级专家系统。

你还可以按照机器人能否进行推理和决策来分类。这个可以通过在人工智能、机器人、专家系统中增加模糊智能技术来实现基本的思考能力。这种技术已经在起步阶段了。

<strong>挣脱网线的束缚——无线商务</strong>

当你的办公室中不止一个机器人的时候，机器人们必须相互协作。这取决于他们的结构和预先设计的学习行为的高级程度。机器人助理们都装备有无线技术，它们能够帮助室内移动用户和商务旅行者从繁琐的重复性任务中解脱出来。

下面是使用无线技术来与机器人助理（能够说话、行走、寻找文件等等）通信的两种情况：

* 室内移动用户：使用IBM的安装在PC上的高速率无线局域网卡，让你用你的ThinkPad笔记本电脑给机器人助理发送指令（无线范围100 米，http://www.wi-fi.org/）。这个卡和IBM高速率无线局域网网关配套使用，每个卡可以同时连接4个用户，包括机器人助理在内。

* 移动商务用户：使用诺基亚的移动通信和IBM的e-business产品及服务，商务旅行者可通过任意符合Wi-Fi标准的网卡来进行机场、酒店等公共场所的无线互联网接入，或者进入合作企业的内部无线局域网（见资源“使用基于ADA的机器人进行计算机教学”）。Wi-Fi网卡使用的是IEEE 802.11b标准。

当前大部分机器人都使用人工智能软件，不过一个新的趋势是使用开源的可以在不同的项目中使用工业机器人控制软件。例如，RoboML（Robotic Markup Language，机器人标记语言）“是用来协助人机交互、机器人的主程序与界面程序交互的”（Addison）。不过RoboML的传输协议 SOAP（Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议），不一定到处都能运行。

我们可以看到一种新兴的学习型机器人能够通过它所接收到的信息来改变自己的行为——学习新的技能和动——这样一个工业机器人不但可以执行焊接汽车的任务，同样也可以执行办公室任务。Bruemer和Rujam说：“设计者必须为每一个任务精密设计——要学习什么、什么时候学习、怎样执行计算、预先准备什么知识等”。

<strong>机器人的问题</strong>

当你惊叹与办公室机器人的神奇的时候，要注意它们会带来的一些问题。不过别担心，我们给你提供了一些解决方法：

* 问题1：震颤。机器人的震颤是由于马达转速过快引起的，这会让机器人偏离原定的位置而无法完成任务。解决方法：测试并解决机器人机械部分的稳定性和可靠性问题。

* 问题2：过载。当机器人的输出与任务要求的负载不匹配时很容易过载。解决方法：在设计阶段考虑负载匹配问题。

* 问题3：软件崩溃。使用C或者C++编写程序可能会有数组或者指针问题。解决方法：试试看使用ADA（一个软件），它能够帮你运用软件工程和部署概念来管理你的项目（详细见资源《在计算机教学中使用ADA系统机器人》）。

* 问题4：安全。黑客会利用机器人软件的漏洞把你的机器人变成武器或者直接废了它。解决方法：堵上这些漏洞。

* 问题5：用户期望值。用户有时候会认为机器人应该能做决策。解决方法：告诉用户机器人能做什么（学习任务和动作）和不能做什么（思考和决策）。

* 问题6：病毒。PC有可能通过无线网络将病毒传染给机器人。解决方法：为程序员和用户都提供杀毒软件并且进行安全教育。

* 问题7：维度。使用鼠标的技术，只能给处于立体环境中的机器人一个平面的定位功能。解决方法：在项目过程中使用软件来实现对机器人的决立体视图实时监控或者预览。

* 问题8：电池续航能力。电池电力的下降会让机械手臂和手臂上的手指突然停下或者松开。这样会让机械手臂有可能抓着鸡蛋的时候突然掉到地上。解决方法：应用电源管理软件在低电情况下发出报警；重新设计机器人延长电池寿命；换用更好的电池。

* 问题9：模数转换。在与无线机器人进行通信的时候，人或者外界物体的信息可能因为模数转换而受到影响。比如，“HEAR”一词的发音可能会被识别成 “HELD”。解决方法：使用更高的模数转换频率，让转换精度不会对应用产生影响。

* 问题10：无线带宽。带宽不足会让传感器或者摄像机的数据传输发生输出抖动。解决方法：优化程序、节省带宽。

<strong>为无线机器人时代做好准备</strong>

本文是从综合的角度初步探讨了无线机器人，下一部分就是更高级的机器人技术的进化。随着无线机器人技术的日益成熟，安全问题也日益突出。无线网络也日趋复杂。我们需要风险评估和安全监视管理软件来减小风险和填补安全漏洞。这样工人们才能真正从无线机器人技术中获益。

资源

* 《机器人技术简介》(developerWorks, 2001年9月) Darrick Addison。有关表面机构设计、感知系统、电气系统和机器人软件。
* 《基于行为的机器人》David Bruemer, Ron Rujam。有关移动机器人的智能行为（看本文“机器人的学习”段落）
* 《可调自治袋鼠机器人》Anron Gage, Robin Murphy, Brian Minten。有关需要人工协助的非完全自治机器人技术。
* 首届“全美机器人足球公开赛”于2003年4月30日到5月4日在卡内基梅隆大学举行，分有双足和四足类别。

请访问卡内基梅隆大学机器人协会了解有关“2001机器人世界杯”的内容。

* Wi-Fi 联盟 是一个非营利性的国际组织，他们致力于规范无线局域网产品的通信协议。他们的协议基于IEEE 802.11规格。
* 访问IBM，下载Easy Wireless Essentials
* 《使用基于ADA机器人进行计算机教学》——为什么使用ADA，而不是其他高级语言。
* 《诺基亚与IBM合力推广公用无线网》（“Nokia and IBM Join Forces to Expedite Public Wireless LAN Roll Outs”），报道了诺基亚与IBM合作提供无线商务应用的情况。
* 《无线数据虚拟化》(developerWorks, 2003年5月)，Judith Myerson。定义了四种虚拟化类型，并描述了它们的发展，解释如何建立虚拟堆栈。

关于作者

Judith M. Myerson是一个系统架构工程师，同时也是一个自由记者。她涉猎的领域很广，包括中间件技术、企业级系统、数据库技术、应用程序开发、网络管理、分布式系统、无线技术、机器人、组件化技术、计算机安全技术、加密技术和项目管理。她还是《Enterprise Systems Integration Handbook》（企业系统综合手册）（第二版）一书的编辑。 她的电子邮箱：jmyerson@bellatlantic.net.

英文原文 -- Evolving the wireless robot

作者：Judith M. Myerson ( jmyerson@bellatlantic.net )，系统架构工程师，2003年7月8日 翻译：韦文潮 2008年1月

译者注：这是一篇很概要的摘录机器人领域各方面技术的介绍性文章。应该说专业性很强，而我恰恰没有了解到足够完整的翻译出这篇文章的知识。因此译得晕头转向的，死了N多脑细胞。而其中不少地方我本身还不太明白确切的意思，只好含糊的盖过去了，大家凑活着能看个大概，见笑了。望高手们不吝赐教。