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波士頓動力的前世今生

傳感器技術(shù) ? 來源:未知 ? 作者:李倩 ? 2018-10-23 17:12 ? 次閱讀

波士頓動力這家公司的創(chuàng)始人叫做MarcRaibert。這個名字可能到現(xiàn)在知道的人也不算多,但是在未來,或許會是對世界影響最大的人之一。馬克·雷波特并不年輕, 1949 年出生,身為麻省理工的教授,雷波特一手創(chuàng)辦了波士頓動力這家公司。由于其在麻省理工的名望,又源源不斷的吸收著最頂尖的人才加入這家機器人公司。

與比爾·蓋茨、扎克·伯格等一些同樣出身名校,卻因為發(fā)現(xiàn)商業(yè)機會提前離開學(xué)校的科技先鋒不同,雷波特從大學(xué)畢業(yè)起就一直呆在象牙塔里,是個典型的學(xué)術(shù)派創(chuàng)業(yè)者。

1977 年馬克·雷波特獲得了麻省理工博士學(xué)位;1980 年在卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)創(chuàng)立了 CMU leg 實驗室并擔(dān)任副教授,主要從事研究與機器人相關(guān)的控制、機器視覺放方面的技術(shù)。

到了 1986 年,馬克·雷波特回到麻省理工并任電子工程與計算機科學(xué)系的教授,他將實驗室搬到了麻省理工學(xué)院,繼續(xù)他的機器人事業(yè)。

1992 年,雷波特與他人一同創(chuàng)辦了波士頓動力,起初是為美國陸軍提供機器人研究制造的企業(yè),服務(wù)過包括美國國防高級研究計劃局(DARPA)在內(nèi)的很多軍方機構(gòu),甚至還獲得過國防部幾千美元萬的投資。

正如肯德基創(chuàng)始人哈蘭·山德士上校一樣,如今已是 68 歲高齡的雷波特依然是一個充滿熱情的創(chuàng)業(yè)者。并且他已經(jīng)將大半輩子的時光都投入了機器人事業(yè),來完成他那個普通人看起來瘋狂的夢想——將雙足或四足機器人發(fā)展成為一種超自然狀態(tài),變成自然界的一種新生物。

盡管過于超前的技術(shù),和短期內(nèi)難以實現(xiàn)商業(yè)化的尷尬現(xiàn)狀,使得波士頓動力這家排名世界第一的機器人公司在大企業(yè)間輾轉(zhuǎn)來回,頻頻碰壁。但是波士頓動力發(fā)布過的機器人,已經(jīng)深深印刻在了我們的腦海中。

創(chuàng)始人對機器人技術(shù)極致的追求,也敦促著波士頓動力機器人不停地更新迭代。從最早爆紅的軍用機器人「大狗」開始,波士頓動力每出一款機器人都及其引人注目,甚至?xí)破鹨魂囮嚈C器人要逆天的倫理性大討論。

LegLab早期一條腿機器人的試驗

LegLeb四條腿的機器人雛形

在LegLeb,我們可以看到今天波士頓動力機器人的早期雛形研究的樣子,可以明顯的感覺到這些今天的產(chǎn)品就是當(dāng)年LegLeb的后續(xù),當(dāng)時的研究都是一條腿怎么工作。在1992年的時候,他還在MIT當(dāng)教授,但是已經(jīng)創(chuàng)立了波士頓動力。

專利8126592的示意圖之一

MarcRaibert在研究過程中獲得的專利很多,這里列舉兩個,一個是編號8126592,執(zhí)行器系統(tǒng),這個專利是相關(guān)機器人的連桿、液壓、載荷傳感、控制電路相關(guān);另外一個是專利號6484069,機器人裝置和用于控制機器人跳躍裝置的方法,顧名思義,沒有這個核心專利,應(yīng)該就沒有刷屏的后空翻。

波士頓動力公司最早創(chuàng)立,是和美國系統(tǒng)公司一起給海軍空戰(zhàn)中心訓(xùn)練系統(tǒng)部門(,NAWCTSD)開發(fā)軟件。這個核心是DI-Guy,說白了就是軟件模擬活人,當(dāng)時聯(lián)合開發(fā)的項目是用3D視頻來替代真人視頻進行航空器發(fā)射訓(xùn)練指導(dǎo),模擬活人是其中的任務(wù)之一。

在DARPA的資助下,產(chǎn)生了大量軍用黑科技,后來又轉(zhuǎn)入民用,比如GPS、互聯(lián)網(wǎng),再到后來,波士頓動力為DARPA,也就是美國國防部高級計劃局研究四足機器人。

軍用目的開發(fā)的LS3可以看到裝甲

DARPA給波士頓動力的要求是研究能為士兵提供載荷的四足機器人(在LS3基礎(chǔ)上改進),并且要足夠安靜以適合載荷任務(wù),并且能承受輕武器的攻擊,這個機器人要求能滿足24小時、載物400磅行走20英里(約32公里)。這個機器人的動力來源其實是馬達和燃料,因此有解決不了的噪音問題,所以對于執(zhí)行潛行任務(wù)、特種作戰(zhàn)來說來說是個災(zāi)難,并不合適,項目沒有徹底解決問題。

大狗厲害之處是超強平衡,可以攀爬陡坡

類似LS3的就是我們熟知的BigDog,波士頓動力是聯(lián)合了NASA的噴氣推進實驗室等機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)。大狗一樣沒有用輪子而是用四條腿行走,當(dāng)時被稱之為“世界最有雄心的機器人”,可以背負(fù)150公斤,能以每小時6.4公里的速度行走,并且能攀爬35度的陡坡。

通用平臺的小狗體積只有30多厘米長。別看個頭小,小狗一樣有波士頓動力招牌式超強的四足平衡能力。

波士頓動力給DARPA開發(fā)過的不僅僅是大狗,還有小狗Littledog,但是這不是專用機器人,而是一個通用平臺,提供操作的API和遙控接口,使用鋰電池可以無需充電使用30分鐘,因此能干什么就要看DARPA和軍方的需求了。

波士頓動力的機器狗成名之后,當(dāng)時的谷歌非常喜歡機器人項目又財大氣粗,因此收購了很多機器人的公司,其中就包括了波士頓動力,把機器人公司歸結(jié)到了GoogleX項目下,就是谷歌著眼于未來的研究。

但是在2017年,谷歌又把機器人公司轉(zhuǎn)手賣給了軟銀的孫正義。谷歌那邊透露出來的消息是波士頓動力不服管理難溝通。但是在筆者看來,是路線之爭。我們知道波士頓動力是學(xué)術(shù)派,只醉心于機器人的研究,包括給DARPA的項目其實也都沒有成功。

而谷歌換了人當(dāng)CEO之后,開始追逐績效,所以希望波士頓動力先出一個商用機器人,能量產(chǎn)賣錢,然后用利潤去維持研發(fā),這顯然與學(xué)院派的人物先研究、再產(chǎn)品的路線不符合。其實硅谷的基因里面,就有高利潤企業(yè)養(yǎng)黑科技發(fā)育的傳統(tǒng)。比如當(dāng)年AT&T的貝爾實驗室、施樂的PARC等等。

不過事情還是挺戲劇性的,波士頓動力歸了孫正義的軟銀之后,居然展示了一個完成度非常高的產(chǎn)品SpotMini,怎么看這個機器人都非常接近能量產(chǎn)的狀態(tài),不知道谷歌看到這個東西會不會氣炸了肺,抑或是高管們的耐心沒等到這個產(chǎn)品。

波士頓動力不僅僅只有 Big Dog 和Atlas

Petman

Petman 是一款用于測試化學(xué)防護服裝的仿人機器人,自然又敏捷的運動對 Petman 來說是至關(guān)重要的,因為它需要模擬士兵在現(xiàn)實條件下對防護服的反應(yīng)。

不同于以往運動受限且過度依賴機械支持的測試機器人,Petman 能夠自主平衡,運動也更加自由;在接觸化學(xué)戰(zhàn)爭物質(zhì)的情況下穿著防護服完成行走,彎腰以及各種動作。

Petman 能調(diào)控自身的體溫、濕度和排汗量來模擬人類在防護服下的反應(yīng),從而達到最佳的測試效果。

Big Dog(大狗)

這是讓波士頓動力聲名遠播之作,Big Dog 是一款能夠適應(yīng)復(fù)雜地形條件的機器人,能行走、奔跑、攀爬以及負(fù)載重物,由液壓系統(tǒng)驅(qū)動引擎。Big Dog 的四條腿和動物一樣擁有關(guān)節(jié),可吸收沖擊,每邁出一步就回收部分能量,以此帶動下一步。

Big Dog 的體格與一只大狗或小騾子相當(dāng)。大約 3 英尺(約合 0.9 米)長, 2.5 英尺(約合 0.76 米)高,體重 240 磅(約合 109 千克)。奔跑速度為 4 英里/時(約合 6.4 公里/時),最大爬坡度數(shù)為 35 度,可在廢墟、泥地、雪地、水中行走,可負(fù)重 340 磅(約 154 千克)。

Big Dog 的機載計算機能夠控制軀體移動和過程傳感器,還能處理通訊。其控制系統(tǒng)保持軀體平衡,在不同的地形選擇不同的運動和導(dǎo)航方式。 Big Dog 的運動感測器包括:聯(lián)合位置、聯(lián)結(jié)力、接地觸點、接地負(fù)載、一個雷射陀螺儀、一個激光雷達和立體視覺系統(tǒng)。它的其他傳感器則專注監(jiān)測內(nèi)部各項指標(biāo)狀態(tài),如液壓、油溫、引擎功能、電池充電情況等。該研究項目由 DARPA 提供資金支持。

Little Dog(小狗)

Little Dog 是一款用來研究移動的四足機器人樣機,研究人員用它來探測運動學(xué)、動態(tài)控制、環(huán)境感知與復(fù)雜地形移動之間的基本關(guān)系。目前 Little Dog 在麻省理工學(xué)院、斯坦福、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、南加州大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)等高校均有所應(yīng)用,同時也是 DARPA 投資的先進機器人項目。

Little Dog 有四條腿,每條腿都分別有三個電機驅(qū)動,可移動范圍非常大。這個小小的機器人能夠爬坡、也能實現(xiàn)動力學(xué)運動步態(tài),其機載 PC 電腦隨身攜帶的 PC 級別的電腦用控制致動器、處理傳感器信號和外界交流。

Little Dog 的傳感器主要負(fù)責(zé)測量關(guān)節(jié)角度、電機電流、體平衡和接地觸點的狀況,機載鋰電池能保證 30 分鐘的連續(xù)運行。并可通過無線通信和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可以進行遠程遙控和數(shù)據(jù)分析。該項目由 DARPA 信息處理技術(shù)辦公室提供資金支持。

Cheetah(獵豹)

Cheetah 是目前世界上速度最快的腿式機器人,奔跑速度超過 29 英里/時(約合 47 公里/時)。其背部結(jié)構(gòu)是關(guān)節(jié)型的,能夠隨著每一個動作靈活地來回移動,提高了步幅和奔跑速度,這與動物的運動原理相差無幾。它的驅(qū)動力來自外部的液壓泵。DARPA 為該機器人的項目提供資金支持。

Wild Cat(野貓)

Wild Cat 實際上是 Cheetah 的自由運轉(zhuǎn)版本,雖然它的速度尚未達到 Cheetah 的水平,但這種四腿機器人無論遇到哪種地形,也能以 16 英里/時(約合 25 公里/時)的速度奔跑。此外,它還可以快速跳躍和轉(zhuǎn)身。

Sand Flea(跳蚤)

Sand Flea 是一個只重約 11 磅(約合 5 千克)的偵察機器人。在平地上它能像遙控模型車一樣飛馳,最重要的是,為躲避障礙它可跳起 30 英尺(約合 9.1 米)高左右,這彈跳力能輕而易舉地跳過一面復(fù)合墻、房頂、一組樓梯的頂端。

在飛行過程中,Sand Flea 的內(nèi)置陀螺儀使其保持水平狀態(tài),為機載攝像機提供清晰的視角,并能保證平穩(wěn)著陸。每充電一次,Sand Flea 可彈跳 25 次。美國軍方為波士頓動力公司的該項目的研發(fā)提供資金支持。

Rise

Rise 是一款能夠垂直爬行的機器人,墻壁、樹木、柵欄等都不在話下。爬行過程中 ,Rise 的腳上附有很多微型爪,它們緊緊地吸附在物體表面上 。 Rise 通過改變自身姿勢符來適應(yīng)不同的表面,隨著高度的上升,它的「尾巴」有助于提高平衡。Rise 只有 25 厘米長,重約 2 千克,爬行速度為 0.3 米 / 秒。

Rise 共有六條腿,每條腿都由兩個電動馬達來驅(qū)動,機載電腦控制腿部的動作及通信,服務(wù)多個傳感器,包括關(guān)節(jié)位置傳感器、應(yīng)變傳感器和腿足部接觸傳感器。該項目由波士頓動力公司與賓夕法尼亞大學(xué)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、斯坦福大學(xué)等高校的研究人員共開發(fā),DARPA 提供資金支持。

Atlas

Atlas 是波士頓動力類人雙足機器人,可以說是被谷歌收購后的巔峰之作,是也是這款機器人讓波士頓動力變得家喻戶曉。

Atlas 經(jīng)歷了三個版本的更新,最新一代發(fā)布于 2016年 2 月,身高為 5 英尺 9 英寸,體重僅為 82 公斤,這款機器人較初代雙足機器人不僅體型更小、重量更輕,而且導(dǎo)航能力、突破障礙能力、保持平衡能力、目標(biāo)識別能力以及自我恢復(fù)能力都有了很大的進步。

Spot / Spot Mini

Spot 是于 2015 年 2 月發(fā)布的四足機器人,曾是波士頓動力體格最小的四足機器人(如今是 Spot Mini),這款身高僅一米有余的前幾日甚至還參與了美劇『硅谷』的拍攝。

SpotMini 是 Spot 機器人的新型且更加小型的機器人版本,加上機器臂是 29.5 千克,而且防水。一次充電可以跑 90 分鐘,且是純電動的,沒有任何液壓系統(tǒng)在身體上,所以是波士頓動力機器人里面最安靜的機器人之一。而且它的身體上還安裝了大量的傳感器,例如深度攝像機、姿態(tài)傳感器、以及肢部的本體感受傳感器。這些傳感器可以幫助 SpotMini 完成各項復(fù)雜的動作以及巡航。

Handle:首款足+輪式機器人

Handle 是波士頓動力研發(fā)的首款足+輪式機器人,身高 1.98m,縱跳可達 1.2 m,輪子可以以 14km/h 的速度前進。整個機器人由電池供能,驅(qū)動電機和液壓泵。無需外接設(shè)備,一次充電續(xù)航 24km。能輕松越過障礙物,無論是在斜坡還是有障礙物的環(huán)境都表現(xiàn)出了很好的柔性,也代表著波士頓動力將機器人的混合控制技術(shù)帶到了一個新的高速。

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原文標(biāo)題:一文讀懂波士頓動力的前世今生

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    競爭冒險:在組合電路中,當(dāng)邏輯門有兩個互補輸入信號同時向相反狀態(tài)變化時,輸出端可能產(chǎn)生過渡干擾脈沖的現(xiàn)象,稱為競爭冒險。那么 FPGA 產(chǎn)生競爭冒險的原因是什么呢? 信號在 FPGA 器件內(nèi)部通過連線和邏輯單元時,都有一定的延時。 延時的大小與連線的長短和邏輯單元的數(shù)目有關(guān) 同時還受器件的制造工藝、工作電壓、溫度等條件的影響 信號的高低電平轉(zhuǎn)換也需要一定的過渡時間 。由于以上存在的因素,多路信號的電平值發(fā)生變化時,在信號變化的瞬間,組合邏輯的輸出有先后順序,并不是同時變化往往會出現(xiàn)一些不正確的尖峰信號,這些尖峰信號稱為毛刺 。如果一個組合邏輯電路中有毛刺出現(xiàn),就說明該電路存在冒險 。與分立元件不同,由于 PLD 內(nèi)部不存在寄生電容電感,這些毛刺將被完整的保留并向下一級傳遞,因此毛刺現(xiàn)象在 PLD 、 FPGA 設(shè)計中尤為突出 。 毛刺的累加 將會影響整個設(shè)計的可靠性和精確性 。因此判斷邏輯電路中是否存在冒險以及如何避免冒險是 FPGA 設(shè)計人員必須要考慮的問題。 接下來我們就要考慮如何消除冒險 ,消除冒險的方式有一下幾種: 1、利用冗余項消除毛刺 函數(shù)式和真值表所描述的是靜態(tài)邏輯,而競爭則是從一種 穩(wěn)態(tài)到另一種穩(wěn)態(tài)的過程。因此競爭是動態(tài)過程,它發(fā)生在輸入變量變化時。此時,修改卡諾圖,增加多余項,在卡諾圖的兩圓相切處增加一個圓,可以消除邏輯冒險。但該法對于計數(shù)器型產(chǎn)生的毛刺是無法消除的。 2、采用格雷碼 我們可以通過改變設(shè)計,破壞毛刺產(chǎn)生的條件,來減少毛刺的發(fā)生。例如,在數(shù)字電路設(shè)計中,常常采用格雷碼計數(shù)器取代普通的二進制計數(shù)器,這是因為格雷碼計數(shù)器的輸出每次只有一位跳變 消除了競爭冒險的發(fā)生條件,避免了毛刺的產(chǎn)生。 3、采樣法 由于冒險出現(xiàn)在變量發(fā)生變化的時刻,如果待信號穩(wěn)定之后加入取樣脈沖,那么就只有在取樣脈沖作用期間輸出的信號才能有效。這樣可以避免產(chǎn)生的毛刺影響輸出波形。 一般說來,冒險出現(xiàn)在信號發(fā)生電平轉(zhuǎn)換的時刻,也就是說在輸出信號的建立時間內(nèi)會發(fā)生冒險,而在輸出信號 的保持時間內(nèi)是不會有毛刺信號出現(xiàn)的。如果在輸出信號的保持時間內(nèi)對其進行采樣,就可以消除毛刺信號的影響。 4、吸收法 增加輸出濾波,在輸出端接上小電容C可以濾除毛刺 。但輸出波形的前后沿將變壞,在對波形要求較嚴(yán)格時,應(yīng)再加整形電路,該方法不宜在中間級使用。 5、延遲辦法 因為毛刺最終是由于延遲造成的,所以可以找出產(chǎn)生延遲的支路。對于相對延遲小的支路,加上毛刺寬度 的延遲可以消除毛刺。 還可以用高頻時鐘來驅(qū)動一移位寄存器,待延時信號作數(shù)據(jù)輸入,按所需延時正確設(shè)置移位寄存器的級數(shù) ,移位寄存器的輸出即為延時后的信號。 當(dāng)然最好的就是,在設(shè)計之初,就對競爭冒險進行規(guī)避,具體規(guī)避方法有: 1、在設(shè)計中每一個模塊中只用一個時鐘,避免使用多時鐘設(shè)計,同時避免使用主時鐘分頻后的二次時鐘作為時序器件的時鐘輸入, 因為時鐘偏斜會比較大 。 2、設(shè)計譯碼邏輯電路時必須十分小心,因為譯碼器和比較器本身會產(chǎn)生尖峰,容易產(chǎn)生毛刺,把譯碼器或比較器的輸出直接連到時鐘輸入端或異步清除端,會造成嚴(yán)重的后果。 3、在設(shè)計中 應(yīng)該盡量避免隱含 RS 觸發(fā)器的出現(xiàn)。一般要控制輸出被直接反饋到輸入端,采用反饋環(huán)路會出現(xiàn)隱含 RS 觸發(fā)器,其對輸入尖峰和假信號很敏感,輸入端有任何變化都有可能使輸出值立刻改變,此時易造成毛刺的產(chǎn)生,導(dǎo)致時序的嚴(yán)重混亂。 4、在設(shè)計電路時 要用寄存器和觸發(fā)器設(shè)計電路,盡量不要用鎖存器,因它對輸入信號的毛刺太敏感。如果堅持用鎖存器設(shè)計必須保證輸入信號絕對沒有毛刺,且滿足保持時間。 5、在設(shè)計中充分利用資源 ,因為 大部分 FPGA 器件都為時鐘、復(fù)位、預(yù)置等信號提供特殊的全局布線資源,要充分利用這些資源。 6、在設(shè)計中 不論是控制信號還是地址總線信號、數(shù)據(jù)總線信號,都要采用另外的寄存器,以使內(nèi)部歪斜的數(shù)據(jù)變成同步數(shù)據(jù)。 7、在設(shè)計中 應(yīng)該盡 量避免使用延遲線,因它對工藝過程的變化極為敏感,會大大降低電路的穩(wěn)定性和可靠性,并將為測試帶來麻煩。 8、在設(shè)計中 對所有模塊的輸入時鐘、輸入信號、輸出信號都用D觸發(fā)器或寄存器進行同步處理,即輸出信號直接來自觸發(fā)器或寄存器的輸出端。這樣可以消除尖峰和毛刺信號。
    發(fā)表于 02-21 16:26

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    發(fā)表于 01-23 09:57 ?1669次閱讀

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    發(fā)表于 12-29 14:54 ?557次閱讀
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