机器人驾驶汽车非常糟糕

DARPA机器人挑战赛决赛的一堂最后的课
RoboSimian dismounting at the DARPA Robotics Challenge
Erik Sofge

DARPA机器人挑战赛(DRC)决赛一开始,就很明显,驾驶将是机器人参赛者面临的一个难题。上周五在加利福尼亚州波莫纳市的Fairplex首次亮相的机器人,都没有配备它们改装过的Polaris多功能车。这些机器依靠自己的双腿,缓慢地在一条模拟灾难区一部分的泥土赛道上行走,这条赛道对人类来说过于危险,对机器人来说也同样危险。这些队伍甚至都没有上车,就已经放弃了这个为期两天的五角大楼资助的比赛。

在一场根据速度和积分决出胜负的比赛中,它们放弃了总分中的四分之一,并且花了很长时间在一段本来只需要几分钟就能开过的赛道上挣扎。更糟糕的是,第一批机器人大多都翻倒了,让互联网第一次看到了机器人摔倒的搞笑集锦。这些队伍在比赛开始时就已经注定了失败,但它们却一次又一次地让它们多年来一起工作的机器重新回到赛道上,一次又一次地摔倒。

这就是为什么大多数机器人都不擅长驾驶汽车。参加DRC比赛的大多数队伍,都有勇气让它们的机器坐在车里,但它们不得不采用一些真正古怪的装置来让Polaris车准备好让机器人驾驶。例如,Atlas机器人是一个六英尺高的类人机器人,有两条胳膊和两条腿。DARPA向多个团队提供了Atlas机器人,在进入决赛的二十多个团队中,有六个使用了它们自己轻微改装过的同款机器人。然而,Atlas机器人无法像我们人类一样坐在驾驶座上。它的灵活性不足,以及它笨重的上半身(包含一个巨大的背包式电池)迫使它侧身坐在乘客座位上,双腿搭在车身外面。

这仅仅是Atlas机器人驾驶上的屈辱的开始。即使有了机器人长长的、像猿猴一样的胳膊,够到油门也是个挑战。因此,TRACLabs团队给它的Atlas机器人安装了一个相当于“假肢”的上肢,一个木制的桩子,上面带有一根杆子,可以按动踏板。实际上,它并不是直接按动踏板,而是按动团队放在油门前面的木块。为了操纵Polaris的方向,TRACLabs还建造了一个更奇特的装置,将方向盘连接到一块固定在车辆防滚架上的一块木头上,原因肯定很巧妙,但我无法理解。另一支Atlas团队则通过抓住一个连接着缆绳的狗玩具来驾驶车辆。

Team TRACLabs' non-gripping manipulator
TRACLabs团队选择使用一个不抓握的桩子在DRC中来踩动车辆的油门,并转动门把手。Erik Sofge

除了其他事情之外,DRC中的机器人还面临着操控方面的挑战。感知能力也是一个问题,但仅限于一定程度,因为车辆的速度限制为10英里/小时,而且赛道的驾驶部分只有一条简单的泥土路,需要绕过三个Jersey障碍物。任何带有激光测距仪的机器——许多机器人(包括无人驾驶汽车)的标准传感器——都可以感知到这样的环境。从Polaris车中走出来风险很大,许多机器人在这样做时都发生了灾难性的摔倒。但是,大多数团队(包括卡内基梅隆大学的CHIMP)都需要“MacGyver”式的解决方案才能物理操作车辆的控制装置。尽管CHIMP拥有大致类似人类的三指操纵器,可以抓握门把手或电动工具(这是比赛中总共八项任务中的两项),但对于机器人来说,用非操纵装置来操纵比用专门为操纵设计的工具更容易。CHIMP通过用它手臂上的橡胶履带压在方向盘上,并向前或向后移动来转动Polaris的方向。通常情况下,当机器人四肢着地时,这条履带会与机器人的其他三条履带协同工作。但在车里,它变成了一个临时的抓手,而CHIMP的两个实际抓手却没派上用场。CMU的机器人还有一个特殊的杠杆来踩踏板,使用后可以从腿上拆下。

尽管这些变通方法很巧妙,但它们也表明了机器人操控进展缓慢得令人惊讶。当2012年公布DRC的细节时,驾驶似乎是比赛中一个奇怪但又不可或缺的部分。大型机器人的电池电量稀缺——电池单元越多意味着重量越大,这总是一个问题——响应灾难的机器在前往目的地的漫长路途中,不应该将有限的能量消耗在行走、爬行或滚动上。DARPA提出的解决方案很简单:征用一辆车。灾难区的应急响应小组可以将机器人送进一辆车,然后将其送入险境。一旦机器人因为碎屑或需要进入室内而无法继续驾驶,它就会自行脱离车辆,然后继续使用其内置的移动能力。DARPA将驾驶和离开车辆(从车辆中出来)视为两项独立的任务,占DRC决赛总共八个可能的积分中的两项,进一步强调了比赛的目标是开发能够在非专门设计的环境中运行的机器人。由于电动工具也是比赛的一部分,你不需要成为机器人专家就能设想到许多拥有灵巧、类人手的机器,类似于NASA的Robonaut机器人上安装的五指操纵器。

然而,在DRC决赛中唯一拥有五指手的机器人是Team NEDO-Hydra的机器人,它未能参赛,因为它还没有完工。DARPA非但没有推动团队在操控方面取得进展,反而不断降低标准,从Sawzalls(一种锯)降级到电钻,这是一种人们不会用来在墙上开大洞的工具,并且允许对车辆进行越来越多的修改。结果,大多数机器人下肢灵活性受限,大多数只有三根手指,并且几乎没有多少可以操作的关节。基本上,它们使用的是爪子。这导致了对电动工具的普遍不人性化且低效的抓握。为了在墙上开一个洞,许多机器人不得不侧着握住电钻,用相当于拇指的部分来按动扳机。NASA的RoboSimian根本没有手指,而是在其肢体末端有两个逗号状的钩子。钩子只在需要时向前旋转。

根据RoboSimian团队负责人和喷气推进实验室机器人研究主管Brett Kennedy的说法,这种设计故意保持简单,以避免在火星车探索小行星、彗星或其他无法修复的偏远地点时发生故障。不过,对于DRC来说,它可能有点过于简单了。在比赛的第二天,RoboSimian在将一个插头从一个插座中拔出并插入另一个插座时遇到了困难。插头最终从机器人的抓手中掉了出来,团队放弃了这项任务。

Team Trooper's Atlas reclines in its Polaris
DRC中的大多数Atlas机器人都侧身驾驶。有些,比如Team Trooper的机器人,则采取了更奇怪的姿势。Erik Sofge

不过,尽管RoboSimian拥有奇怪的抓手,它仍然是DRC中最不挑剔的驾驶员。该机器人的四肢每肢都有七个关节,这给了它惊人的灵活性。当其他机器人必须处理它们的胳膊比人类更僵硬、运动范围小得多的事实时,RoboSimian可以将一条肢体折叠到位,抓住方向盘的中心,然后旋转。它还可以将一条后肢伸下去够到油门,这台重达275磅、高4.5英尺的机器人足够小,可以在不拆除防滚架的情况下放入Polaris车内。“它是决赛中唯一一辆能驾驶原装车辆的机器人,”Kennedy说。

比赛中还有其他优秀的驾驶员,包括内华达大学拉斯维加斯分校的Hubo类人机器人Metal Rebel。团队负责人Paul Oh知道他的机器人是弱势,但他想展示其驾驶技能。“当人们看到机器人驾驶汽车时,他们会感到震惊,”Oh说。“它激发了好奇心,这也是我们实验室的模式。”尽管基本上没有获得资助(一些团队在过去三年里从DARPA获得了数百万美元),UNLV的机器人仍然进入了DRC的前10名,并在不到一分钟的时间内完成了驾驶挑战。根据Oh与学生进行的练习,这与许多人类所需的时间差不多。事实上,他致力于一项长期目标,即创造能够驾驶非机器人车辆的机器人。“如果你能驾驶一辆多功能车,为什么不能驾驶叉车或拖拉机?或者,如果船长或飞行员失去行动能力,也许还能驾驶船只,”Oh说。“你可以用机器人来接管操纵杆,并将那艘船、飞船或飞机带到安全地带。”

Oh的愿景在机器人界并不普遍,DRC的整体结果也并未有力支持。比赛的获胜者Team KAIST也使用了Hubo类人机器人,并且也必须改装他们的车辆。亚军IHMC Robotics使用了Atlas机器人,并配备了自己奇怪的驾驶辅助装置。而CMU的CHIMP,在比赛的最后一天之前一直处于领先地位,昨天在进行最后一次灾难性的冲刺时,与一个障碍物相撞。DARPA官员反应过度,关闭了CHIMP的Polaris车以及机器人(一旦车辆熄火,就没有必要关闭CHIMP)。CHIMP最终完成了其他任务,但根据它前一天的表现,最终获得了第三名。因此,DRC的所有获胜者都需要一定程度的临时改造才能短距离驾驶。其中一辆甚至发生了事故。

与此同时,RoboSimian获得了第五名,距离奖金只有两个名次。但如果Oh是对的,机器人最终能够控制工厂生产的拖拉机,或者采取行动安全地降落一架飞机,那么没有理由认为那些机械驾驶员和飞行员一定是类人型的。稍微有点猿猴的特点,但大部分是非人性的,可能恰恰能拯救农场,或者拯救一天。

现在,我们来谈谈那些钩子……

 

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