太空精靈
——機(jī)器人宇航員（上）

+ 劉進(jìn)軍 編譯

人形機(jī)器人——未來(lái)戰(zhàn)士

機(jī)器人與人形機(jī)器人共同的特點(diǎn)是幫助人類完成工作或科學(xué)任務(wù)。兩者之間也有很大的區(qū)別：一般機(jī)器人只能根據(jù)邏輯程序完成簡(jiǎn)單的任務(wù)，或指定的任務(wù)。人形機(jī)器人具備邏輯思維、形象思維能力、完美糾錯(cuò)能力和快速運(yùn)動(dòng)能力。兩者最大的區(qū)別是：它能完全仿真人類的動(dòng)作，完成高難度和極精確的工作。

人形機(jī)器人是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、通信、信息、控制、仿真、傳感、材料、攝像、聲光電、微電子、微機(jī)械等技術(shù)的交叉科學(xué)，先進(jìn)技術(shù)的的結(jié)晶和典范。人形機(jī)器人的意義重大，影響深遠(yuǎn)，有可能改變?nèi)祟惖乃枷?、社?huì)和發(fā)展。人形機(jī)器人的意義重大，影響深遠(yuǎn)，將改變?nèi)祟惖乃枷?、社?huì)、發(fā)展、工作和生活方式。

人形機(jī)器人可廣泛應(yīng)用于復(fù)雜繁瑣、危險(xiǎn)冒險(xiǎn)的工作，如航空航天、軍事戰(zhàn)場(chǎng)、戰(zhàn)車軍艦、排雷排爆、核電站、自動(dòng)流水線、深海探測(cè)、災(zāi)難搶險(xiǎn)等。人形機(jī)器人最適應(yīng)于人機(jī)配合工作。在人類的指揮下，它能完美完成任務(wù)，并將精確度達(dá)到極致。人形機(jī)器人能充當(dāng)宇航員、飛行員、坦克手、偵察兵和敢死隊(duì)等。人形機(jī)器人最先在太空這個(gè)大舞臺(tái)創(chuàng)造奇跡。

在太空探索中，人類常常要冒極大的風(fēng)險(xiǎn)。人形機(jī)器人能通過(guò)靈敏的操縱，實(shí)現(xiàn)宇航員的工作，甚至超過(guò)宇航員的工作。機(jī)器人與人類并肩工作，探索太空的廣度和深度就大大擴(kuò)大。盡管沒(méi)有生命，太空機(jī)器人已具備相當(dāng)?shù)闹腔酆椭饔^能動(dòng)性。太空機(jī)器人按照人形設(shè)計(jì)，在智力、力量、耐力、運(yùn)動(dòng)范圍、靈活性、適應(yīng)性、安全性、可靠性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇航員。

第一代太空人形機(jī)器人，由美國(guó)宇航局約翰遜航天中心與美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局協(xié)作開(kāi)發(fā)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局屬于美軍國(guó)防部，專門負(fù)責(zé)組織、管理各種先進(jìn)武器研制的機(jī)構(gòu)。1958年，為了應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星的威脅和冷戰(zhàn)的主動(dòng)權(quán)，美國(guó)成立了研制各項(xiàng)尖端武器的管理機(jī)關(guān)——國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局。

50年來(lái)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局已為美國(guó)陸海空軍、太空軍和各特種司令部研發(fā)成功了大量的先進(jìn)武器系統(tǒng)，如無(wú)人機(jī)、太空飛機(jī)、隱形衛(wèi)星、激光武器、迷幻武器、機(jī)器人戰(zhàn)士、互聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)、語(yǔ)音轉(zhuǎn)換文字技術(shù)、人造血技術(shù)、未來(lái)作戰(zhàn)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)系統(tǒng)等。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局為美國(guó)積累了雄厚的高科技資源，對(duì)美國(guó)、世界高技術(shù)研發(fā)做出巨大貢獻(xiàn)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局驕傲地說(shuō)：DARPA的高科技常常讓美國(guó)感到驚喜，也讓敵人感到驚訝。

2000年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局開(kāi)始研究人形機(jī)器人。2003年，第一代太空“人形機(jī)器人-1”完全智能化，被美軍稱為靈巧機(jī)器人。人形機(jī)器人不僅是一個(gè)智能工具，一門高科技技術(shù)，還是一個(gè)想象力豐富的藝術(shù)品。

1 ．仿真——機(jī)械手

許多具有突破性的靈巧雙手的機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了近20年。這些機(jī)器人和機(jī)械臂能自動(dòng)抓住擺弄復(fù)雜形狀的物體。有的機(jī)械臂設(shè)計(jì)了靈巧手和手指，已在空間使用，如航天飛機(jī)上的“加拿大大臂-1”、國(guó)際空間站上的“加拿大大臂-2”?！叭诵螜C(jī)器人-1”的機(jī)械手是第一個(gè)根據(jù)太空工作、太空行走的功能設(shè)計(jì)的。它的仿真度極高，最接近宇航員的手 。

“人形機(jī)器人-1”的機(jī)械手將能夠適應(yīng)太空行走需要的所有動(dòng)作，能夠把握、捏拿、攀爬、系繩、掛鉤、打結(jié)。腕關(guān)節(jié)的間距與人類相等，達(dá)到或超過(guò)一個(gè)人的腕關(guān)節(jié)的力量。手和手腕部分重現(xiàn)人類的力量，以滿足太空行走時(shí)宇航員最大的力量。

“人形機(jī)器人-1”的手由特種材料制造，可防止污染、靜電，干擾等，適應(yīng)空間系統(tǒng)。手的內(nèi)部零件由不同材料制造，可以接受極端溫度的變化。無(wú)刷電機(jī)用于確保延長(zhǎng)在真空中的壽命。手的所有部件都使用空間潤(rùn)滑劑。

機(jī)械手的自由度是指機(jī)械手的升降、伸縮、彎曲、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式。如果抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。“人形機(jī)器人-1”的每只機(jī)械手有14個(gè)自由度。指尖、關(guān)節(jié)、皮膚等部位有傳感器。

“人形機(jī)器人-1”的機(jī)械手

機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

機(jī)械手分為兩個(gè)部分：一個(gè)靈巧手指的操作功能，操縱或驅(qū)動(dòng)一個(gè)給定的動(dòng)作；一個(gè)有力的抓握功能，讓手保持一個(gè)穩(wěn)定的把握。這是工具的本質(zhì)特征。靈巧的手指由2個(gè)3自由度的手指和3個(gè)與拇指對(duì)捏的手指組成。抓握功能由手掌的彎曲程度和手指的自由度決定。機(jī)械手能撿起一枚繡花針，也能舉起2個(gè)人的重量。

“人形機(jī)器人-1”的手臂

2 ．自由度——機(jī)械臂

“人形機(jī)器人-1”的機(jī)械臂仿真人類的手臂設(shè)計(jì)，按照體操運(yùn)動(dòng)員的柔韌度和靈活性設(shè)計(jì)的。機(jī)械臂包括1個(gè)前臂電機(jī)和電子驅(qū)動(dòng)器，2個(gè)自由的手腕，以及5個(gè)手指，12個(gè)自由度的手。前臂最寬10.16厘米，長(zhǎng)20.32厘米，裝置了14個(gè)電機(jī)，12個(gè)獨(dú)立的電路板，以及所有的手的神經(jīng)——傳感器線路。

機(jī)械臂的體積和設(shè)計(jì)目標(biāo)是人的等效強(qiáng)度、人性化的范圍、耐熱性、高帶寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、安全和運(yùn)動(dòng)范圍，超過(guò)人類肢體。手臂有轉(zhuǎn)動(dòng)伸縮關(guān)節(jié)、機(jī)電一體化的航電密度封裝、電機(jī)、諧波驅(qū)動(dòng)器、故障安全剎車和16個(gè)關(guān)節(jié)的傳感器。太空潤(rùn)滑油、應(yīng)變計(jì)、編碼器和絕對(duì)角位置傳感器，使先進(jìn)的高密度封裝驅(qū)動(dòng)器成為可能。

機(jī)械臂覆蓋了一層層的合成纖維，形成皮膚，與外界接觸和在太空極端環(huán)境溫度變化有了保障。經(jīng)過(guò)溫度變化范圍為25℃～105℃的熱真空室測(cè)試，2個(gè)臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，表現(xiàn)良好。兩個(gè)機(jī)械臂安裝在“人形機(jī)器人-1”兩側(cè)，與胸部和頸部相應(yīng)配合，下身作為臀部或腰部。一種新的潤(rùn)滑油在諧波傳動(dòng)技術(shù)中有重大突破，保證機(jī)械臂極為靈活、轉(zhuǎn)動(dòng)和伸展。

“人形機(jī)器人-1”的身體軀干內(nèi)部

“人形機(jī)器人-1”的外殼與軀干

3.終極保護(hù)——身體

“人形機(jī)器人-1”的軀干為鋁合金結(jié)構(gòu)。保護(hù)性外殼蓋住鋁合金結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)內(nèi)部相當(dāng)于骨骼，為機(jī)器人肢體的延伸段。當(dāng)臀部末端固定時(shí)，它有能力重新定位身體和腿。在這種情況下，臀部傳感器測(cè)量身體的外部力量。傳感器就是機(jī)器人的神經(jīng)末梢。當(dāng)發(fā)生接觸、碰撞時(shí)，身體外殼的三個(gè)傳感器可用于敏感報(bào)警，判斷分別撞擊是屬于內(nèi)部或外部，并估計(jì)撞擊的力量和位置。

由于機(jī)械手工作空間重疊，機(jī)器人會(huì)在雜亂的環(huán)境下工作，能忍受各種傳感器的不合理使用。為了增加保護(hù)，機(jī)器人身體上覆蓋著一層貼布設(shè)計(jì)，模擬人類的皮膚。它覆蓋電線線束，同時(shí)保持對(duì)外物質(zhì)性的沖擊力和破壞。軀干部分還采用了皮下泡沫填充技術(shù)，主要作用是吸收沖擊能量，同時(shí)又能測(cè)量到接觸力。身體軀干分為前、后兩部分，可以方便地打開(kāi)，訪問(wèn)內(nèi)部電子設(shè)備。肌肉，采用樹(shù)脂真空成型工藝，具有壓力感測(cè)陣列，但不產(chǎn)生力量。最外一層是能在第一時(shí)間感應(yīng)的干碳纖維織物——皮膚，能探測(cè)微小的感覺(jué)。

機(jī)器人外殼有兩種保護(hù)方式。首先，它隱藏脆弱的電子元件和電線束，以免構(gòu)成嚴(yán)重危害。第二，它通過(guò)一個(gè)富有彈性的柔軟組合和懸浮的結(jié)構(gòu)，就像人的胸腔。內(nèi)臟掛在機(jī)器人的骨干上。即使有外部力量撞擊，外殼的彈性和內(nèi)部的柔性可抵消大部分撞擊力。

4 ．智能化——頭部

“人形機(jī)器人-1”的頭部系統(tǒng)比人類簡(jiǎn)單多了。它是個(gè)無(wú)腦兒。它的大腦不在頭部而在胸部。大腦需要思考、計(jì)算和決策。大腦在胸部也算胸有成竹。機(jī)器人的頭部主要包括2只相機(jī)“眼睛”，一個(gè)關(guān)節(jié)“脖子”等。

“人形機(jī)器人-1”的頭部

“眼睛”是2個(gè)小的彩色立體攝像機(jī)。攝像機(jī)的眼間距、視角與典型的人眼間距相匹配。攝像機(jī)可以錄像和拍照，比人類眼睛的功能強(qiáng)多了。攝像機(jī)最善于拍攝立體高清圖像，分辨率在1080線以上，決不會(huì)近視眼。攝像機(jī)實(shí)際上是提供給操作者的頭盔顯示器，能產(chǎn)生深度視覺(jué)形象。操作者可以隨意放大圖像，詳查細(xì)節(jié)。

“脖子”由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，使用了6軸傳感器，并以人類頸部的典型速度跟蹤物體。它輕松地上下左右擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，甚至可以360°旋轉(zhuǎn)“脖子”，朝后能看見(jiàn)自己的屁股。這讓發(fā)明者自嘆不如，人類也永遠(yuǎn)不可能模仿。

頭骨由環(huán)氧樹(shù)脂制造，可預(yù)防碰撞保護(hù)。機(jī)器人的的頸部、手臂關(guān)節(jié)分享大量的共性，并進(jìn)行相同的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的控制。機(jī)器人不需要呼吸和吃東西，所以沒(méi)有鼻子、嘴巴、呼吸系統(tǒng)、血液系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等。