“海洋一號”處女航

海洋一號

2016年的時候，一則機器人從地中海打撈起350年前文物的新聞引發(fā)了不小的關(guān)注。相比人類最深40米左右的潛水深度，此次“海洋一號”（Ocean One）機器人下潛深度達到了91米（從15米開始就讓機器人獨自行動了）。這只機器人具有類人的外型，肩膀+手肘+手腕+手指的上肢設(shè)計有不小的控制難度，但也給帶給它很高的靈活性。它自己就具有一些感知、移動、執(zhí)行功能，再加以人類的遠程指導(dǎo)，就可以及時對各種狀況進行應(yīng)對；它可以在淺水區(qū)域和潛水員進行互動協(xié)作，然后在人類無法達到的深水區(qū)細膩穩(wěn)定地進行獨自水下作業(yè)。

“海洋一號”進行水下作業(yè)

為了讓遠程控制人員對環(huán)境和目標物體有準確的認識，海洋一號具有一系列完善的傳感器，除了傳統(tǒng)的壓力、扭力、航向傳感器，它還帶有非常重要的觸覺反饋系統(tǒng)，可以向操作人員再現(xiàn)觸感，讓他們感知到海洋一號對物體的觸摸，可以根據(jù)物體的重量進行進一步反饋。操作起來也很輕松自然，在機器人視角和的操作臺幫的助下，就像控制自己的手臂一樣。

實驗室中，Khatib教授的學生演示機器人操控和動態(tài)仿真系統(tǒng)

這樣功能強大又完善的機器人就來自斯坦福大學計算機科學系教授、斯坦福機器人實驗室主任Oussama Khatib教授和他帶領(lǐng)的團隊。

戴著墨鏡的Oussama Khatib教授展示海洋一號打撈上來的文物

Oussama Khatib教授在實驗室對海洋一號做詳細介紹

海洋一號結(jié)構(gòu)和功能示意圖，有多個推進器、多種傳感器、一對7自由度的手臂

Khatib教授向我們介紹，海洋一號制造過程中遇到最大的困難是水。相比地面機器人接觸空氣、抵抗重力，水下機器人做防漏電的密封僅僅是基礎(chǔ)，關(guān)鍵的是在機器人承受深水水壓的同時還要保證活動關(guān)節(jié)可以正常工作。為此，Khatib教授團隊采用了“油填充結(jié)構(gòu)”，當外界水壓增加時，機器人內(nèi)部的油壓也會調(diào)節(jié)增大，使得海洋一號內(nèi)外的壓力保持一致，這樣就能夠保護多關(guān)節(jié)系統(tǒng)里的固件。通過這樣的結(jié)構(gòu)，假如再制造一只修改過內(nèi)部油壓的“海洋二號”，那它最深可以下潛2000米。

為了讓機器人在水中能夠自如運動，先要計算和添加復(fù)合泡沫外殼，保證重力和浮力大小相等、重心位置相同，才能互相抵消避免姿態(tài)不受控制；然后在壓力、高度、速度、姿態(tài)、頭部方向等感應(yīng)器與8個推進器的配合下控制和保持機器人在水中的位姿。

潛入深水以后的電源和通信也是一個問題，尤其是希望機器人具有穩(wěn)定、靈活、自主的工作位姿，所以要盡量避免機器人拖著一根粗重的線纜，這不僅會讓機器人的運動變得笨拙，還很容易讓線纜和機器人一起被洋流沖跑。所以Khatib教授團隊想到的辦法是，機器人自帶電池，然后他們在水下布置獨立于機器人的中繼器，機器人用光信號和中繼器通信、還可以到中繼器上充電；中繼器用傳統(tǒng)的線纜連到海面上。這樣的方法不僅解決了線纜的影響和長時間工作的能源問題，也避免了水下長距離光信號傳輸高損耗、不適應(yīng)低能見度水域的弱點。他們未來還設(shè)想可以有多個機器人協(xié)同工作，一個中繼器可以給多個機器輪流充電。

Khatib教授操作模擬仿真系統(tǒng)

雷鋒網(wǎng)AI科技評論了解到，Khatib教授團隊完成的不只是海洋一號，實際上它只是Khatib教授團隊科研成果樹上的一顆果子而已。他們有完善的多任務(wù)全身運動控制系統(tǒng)、有高層次的算法讓機器人整個身體保持協(xié)調(diào)，還有完整的模擬和仿真系統(tǒng)，這次就用在了海洋一號中。Khatib教授還打算今年把這套模擬和仿真系統(tǒng)商業(yè)化。

Oussama Khatib教授的學術(shù)成就

帶領(lǐng)團隊做出眾多成果的Oussama Khatib教授現(xiàn)任斯坦福大學計算機科學系教授、斯坦福機器人實驗室主任，并且是IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會）研究員和IFRR（國際機器人研究基金會）主席。Khatib教授是機器人領(lǐng)域研究的重要人物和先驅(qū)之一，在自動機器人、類人機器人架構(gòu)、人類協(xié)作機器人、動態(tài)仿真、觸覺互動方面做了許多開創(chuàng)性的工作。

Khatib教授1970年代在法國蒙彼利埃大學讀取了電氣工程的本科和碩士學位，然后攻讀了法國國家航空航天學校的自動化控制高等學位和自動化系統(tǒng)的博士學位。而后他來到了斯坦福大學計算機科學系繼續(xù)進行這方面的研究，1990年升任副教授，2000年升任教授。他還曾任多個學校的客座教授，包括新加坡大學、法國洛桑聯(lián)邦理工學院、巴黎第六大學、意大利比薩圣安娜高等學校等。

Khatib教授早期的開創(chuàng)性研究有：人工潛在場方法，通過在任務(wù)空間中投射具有潛在場的控制機器人模型來避免復(fù)雜的機器人運動規(guī)劃問題；彈性帶模型，為機器人提供了在執(zhí)行期間調(diào)整和修改其運動規(guī)劃的能力，同時有效地利用分層球面模型來檢測潛在的碰撞；操作空間方程，它避免了逐關(guān)節(jié)地對機器人進行控制，而是對機器人的動力學模型進行分析，然后在當前任務(wù)的特定操作空間中進行控制。當

自20世紀80年代以來，Khatib教授和他的實驗室在許多方面的基礎(chǔ)性研究取得了不小進展，比如宏觀迷你機器人（串聯(lián)協(xié)作）、協(xié)同機器人（平行協(xié)作）、靈活動態(tài)協(xié)調(diào)、聯(lián)合操控中對內(nèi)部力的虛擬鏈接建模、姿勢和全身控制、動態(tài)任務(wù)解耦、最優(yōu)控制、人機交互、用于實時路徑規(guī)劃的彈性帶模型、人體運動合成和人性化機器人設(shè)計等。

Khatib教授的貢獻也跨越了觸覺交互和動態(tài)模擬領(lǐng)域。他與學生Diego Ruspini博士在觸覺渲染方面的研究為虛擬環(huán)境的觸覺探索建立了基礎(chǔ)，如觸覺重現(xiàn)、觸覺陰影、紋理和碰撞檢測的虛擬代理。后續(xù)具體工作是與Francois Conti一起開展的，以解決可顯示變形物體、用小型觸覺裝置擴大工作空間、高效安全的觸覺設(shè)備混合動作等等問題。發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)形成了一個完善的機器人模擬環(huán)境，機器人的環(huán)境交互和都完整操控可以先進行動態(tài)模擬。

Khatib教授的動態(tài)模擬系統(tǒng)中嘗試攀登巖壁的人形機器人

在二十世紀九十年代中期，Khatib教授的實驗室著重于在人類環(huán)境中開發(fā)機器人操縱。在這個過程中開發(fā)的斯坦福機器人平臺是第一個完全集成的完整的移動操縱平臺，后來被稱為羅密歐與朱麗葉。這項努力產(chǎn)生了Nomadic Technologies的Nomad XR4000的商業(yè)整體移動機器人。這個項目產(chǎn)生的模型和算法為他以后對本田ASIMO系列類人機器人的探索奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)還跟本田公司有機器人多點接觸、身體協(xié)調(diào)算法的合作研究。如今把ASIMO機器人稱作最智能最成熟的人形機器人也不為過。

Khatib教授獲得的獎項當然也有許多，份量也都不小，JARA（日本機器人協(xié)會）頒發(fā)的研究與開發(fā)獎、2008年獲物理與數(shù)學領(lǐng)域PROSE獎（美國專業(yè)與學術(shù)杰出出版獎）、2010年獲IEEE 機器人與自動化領(lǐng)域RAS先鋒獎、2013年獲IEEE RAS杰出貢獻獎、2014年獲IEEE RAS George Saridis領(lǐng)導(dǎo)獎等。

教授近期動向

Khatib教授的研究小組目前的興趣包括建模人體運動控制、肌肉控制、人形機器人、觸覺的神經(jīng)學研究和多重接觸控制、動作路徑和交互的自動學習、fMRI接口等。

其中的fMRI接口是一種具有三自由度的功能磁共振成像兼容觸覺界面，可以用來進行神經(jīng)學研究。實驗者可以通過這個界面，在MRI機器的整個孔內(nèi)執(zhí)行虛擬觸覺任務(wù)，以實現(xiàn)高保真的神經(jīng)科學實驗。 在具有足夠低噪聲水平的高分辨率fMRI掃描中，Khatib教授的小組已經(jīng)成功地展示了實時閉環(huán)觸覺控制，從而使得對單個實驗者的分析變得容易。