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Servo的内容主题范围很广，从可编程逻辑，到步进马达基础、无线电通信基础、机器人基础知识、自助操作、闭环系统、语音识别、视觉添加等，到产品和图书评论，构建自己的Bot和系统项目等等。诸如DARPA、机器人世界杯足球赛、FIRST、ComBots、水下机器人挑战赛等等活动的报道。
书名：机器人爱好者（第4辑）
ISBN：978-7-115-46198-8
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• 著 美国SERVO杂志
译 符鹏飞 荣 耀 荣 珅 雍 琦
责任编辑 陈冀康
• 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
• 读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
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Authorized translation from the English language edition published by T & L Publication.
All rights reserved.
本书中文简体字版由美国T&L公司授权人民邮电出版社出版。未经出版者书面许可，对本书任何部分不得以任何方式复制或抄袭。
版权所有，侵权必究。
本书是美国机器人杂志《Servo》精华内容的合集。
全书根据主题内容的相关性，进行了精选和重新组织，分为6 部分。第1 部分介绍了机器 人的历史、发展状态以及前景，特别关注了医疗健康机器人、机器人的外貌、机器人的好处以 及科技中的失败的案例分析。第2 部分是介绍了国外的机器人大赛，尤其是RobeGames 大赛 和NASA 举办的机器人竞赛。第3 部分是跟Mr.Roboto 动手做专栏。第4 部分是机器人产品和 DIY，介绍了乐高义肢和Meccanoids 机器人，以及其他一些DIY 部件的知识。第5 部分是制作 树莓派机器人的专题文章，本辑包含了该专题的第一篇（前4 个部分）。第6 部分是全球机器人 领域最新的研究动态和资讯。
本书内容新颖，信息量大，对于从事机器人和相关领域的研究和研发的读者具有很好的实用 价值和指导意义，也适合对机器人感兴趣的一般读者阅读参考。
Tom Carroll撰文 李军 译
医疗机器人近年来显著增长，如图1所示。康复性骨骼、家庭医护机器人和遥现机器人，外科手术机器人、智能假体等不断涌现，甚至能够走遍人体的血液循环系统的微小机器人也有了，这些都给全世界的患者带来了福音。当然，这些进步也导致了医疗健康的成本快速增加，但是，病人和医务人员表示，医疗机器人所带来的优点比高成本更加显著。
4年前，我因为前列腺癌接受了达芬奇机器人做的手术，这使得我在手术之后的当天下午就能够下地走路了。
图1 美国正在上升的医疗成本
达芬奇机器人外科手术机器人由Intuitive Surgical公司开发，是目前为止销售额最大的医疗机器人，尽管有一些非常重要的竞争者也开发了很多独特的医疗机器人解决方案。Intuitive Surgical公司最开始的和早期的资金，都来自于美国军队20世纪80年代在战争区域进行远程手术的需求，这种手术甚至需要医生在另一个遥远的大陆操作手术，但是，这一需求在商业医院的应用更加吸引人。达芬奇系列机器人的成功，使得该公司赢得盆满钵满。每一台机器人的售价高达125万美元到200万美元。最新版本的机器人如图2所示。目前，全世界的医院已经配备了超过3000台达芬奇机器人。
图2 Intuitive Surgical公司最新的达芬奇外科手术机器人
再回过头去看一下图1，美国的医疗健康的成本有望超过每年3.5万亿美元。对于那些脑子里有着新的机器人设想的企业家来说，使用机器人作为医疗应用的解决方案是显而易见的事情。观察一下那些成功的公司，医疗机器人似乎是可以进入的一个领域。你一定会这样认为，直到你搞清楚了美国政府和FDA“希望”一名设计师必须要满足的各种条件，才能认证一款医疗机器人。即便你的设计很稳定并且通过了认证，还有排成队的意外伤害赔偿诉讼律师，像一堆饿狼一样在你家门前的台阶上等候着。医疗机器人真的是很难进入的一个领域。
我想要回顾一下机器人的起步时期以及Joe Engelberger的第一个Unimate机器人。Joe和他的合作伙伴George Devol奋斗打拼了很多年，才研制出这一款机器人。今天，Joe Engelberger之所以以“机器人之父”而闻名，就是因为他在这一产业的发展中做出了非常多的贡献。在1997年《彭博商业周刊》对他的一次采访中，Joe Engelberger说他更希望作为“家用机器人之父”而被人们记住。他说：“常识告诉我，家用机器人最终的市场将会比工业机器人更大”。
我曾经有机会和Joe一起吃午餐，并且在新墨西哥州的Albuquerque举办的国际个人机器人大会（International Personal Robotics Congress）上和他交谈（如图3所示）。他对于我在太空机器人领域的工作很感兴趣，但是，他的更多工作“落到了实地”，即开发一款切实可行的家用机器人以辅助老人，这些也更加令我感兴趣。这样的机器人（无论是太空机器人还是医疗机器人）的设计者正在崛起，并且在让一款真正具备功能的家用机器人成为现实方面，Joe处于领先的地位（而我的设计则要晚十几年才出现）。
图3 Joe Engelberger和本文作者1984年在新墨西哥州Albuquerque的IPRC上
尽管Joe Engelberger现在已经90岁了，但早在20世纪80年代和90年代早期，他就观察了自己年迈的父母以及他们所需要得到的帮助。他意识到了机器人的一个全新的领域，尽管他的第1款产品是以医院为目标的向导机器人。
在介绍Joe Engelberger的更多的个人类型机器人之前，我们先来介绍一下他的向导机器人，也就是如图4所示的Helpmate机器人。这款机器人设计为在医院中发放药物、食物和给人们指路。这款机器人在1984年早期开始由Engelberger所组建的Transitions Research公司开发。该公司最初是负责NASA Small Business Innovation Research（SBIR）授权的一家智囊公司，其最初的概念性设计是针对轨道机器人的。
图4 Pyxis药品机器人（Helpmate）正在给护士站发放药品
1997年，Transitions Research公司更名为HelpMate Robotics机器人，以强调其新产品专注于能够帮助人们的机器人系统。1999年，位于加州San Diego的Cardinal Health—Pyxis公司收购了HelpMate Robotics，并且他们还获得了HelpMate机器人的所有权利。15年前的这一事件尤其引人注目，因为这是机器人产业之外的风投公司第一次进入该领域。
HelpMate机器人设计为在整个医院和其他医疗机构中自主地导航，并携带食物托盘和医药供应设备。每一个机器人通过编程，可以从医院中的一个位置去往另一个位置，而独立于人类的控制，包括搭乘两层楼之间的电梯。
地板上并没有引导电线或轨迹，重达272千克的机器人能够承载91千克的物品。它使用超声波传感器和其他的传感器，以及内存中的一个地图，在医疗机构中查找行进路径。
一位医院人士在几年前曾告诉我，Helpmate设计精良，易于编程和使用。机器人有转向信号灯、紧急碰撞缓冲装置，以及一个紧急制动按钮，当机器人似乎失去控制的时候，它身边的人可以按下该按钮来制动。最初的视觉系统是一个反射的结构性灯光装置，并且机器人上的相机能够检测到地板上的光线，从而当要碰到物体的时候决定如何改变路线并绕开它们。在距离地板15cm和45cm处，有两个红外线检测器，也可以检测到干扰的物体，但是，随后它们被激光扫描器检测物体的方法所取代。
据报道，曾经有100台以上的Pyxis HelpMate机器人在世界各地的医院里工作，为护士和医务人员提供帮助。
没有销售出去的机器人在库房里呆了几年之后，有几个HelpMate机器人经过改造，作为大学试验室里的LabMate而卖掉了。甚至有些HelpMate机器人改造后用来在家庭环境中照顾老年人，例如，图5中左边所示的机器人，这是Canadian公司的PALS机器人的一个原型。注意，它的底座和HelpMate机器人是相同的。
Joe Engelberger自己构想的一款照顾老年人的机器人如图6所示。你可能注意到了，该机器人有两个胳膊，这和Engelberger最初的公司Unimation所协助开发的、流行的Puma机器人的胳膊很相似。这些胳膊都有关节，和人类的胳膊相似。
图5 PALS机器人的原型和HelpMate机器人站在一起
图6 Joe Engelberger的双臂家庭服务机器人
当然，任何像达芬奇外科手术机器人这样的、需要进入人体并且切除一些身体组织的机器人，都需要经过美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）和众多其他的政府部门的严格的审查和认证。使用这些类型的机器人的外科医生，还需要经过很长时间的培训。
然而，基于家庭的个人助理机器人是由一位需要得到协助的老年人来操作的，或者是由家中的一位未经训练的助手来操作的，这给潜在的公司所带来的责任是很可怕的。这意味着，特别是这些机器人可能需要在家中为人们提供身体上的协助。这一事实导致了很多潜在的企业家后退了一小步，等待并观望是否有其他人进入这个领域并生产出一款个人助理机器人，从而能够增强老年人生活的
独立性。
我们来看看最新的调查数据，在2013年，在美国生活的65岁以上的人或者更大年龄的人有4470万（2013年收集这样的数据的最近的一个年份）。如果这个群体中有10%能够购买一款机器人来协助他们的日常生活的话，那么机器人的数量将会超过400万，这是一个巨大的市场。和设计来辅助残疾人的机器人相比，老年人通常有类似的体力上的需求。为这个群体设计的辅助机器人，只需要一个单一的设计，并且为购买者配备可能的附件和升级服务。
熟悉我的朋友都知道，我长期以来都对于开发一款个人助理机器人从而可以让老年人保持自己的独立性很感兴趣。在20世纪90年代，我还居住在加州的Long Beach的时候，我在一家养老院采访过很多老年人，采访的主题就是让一个机器人来帮助他们的可能性。正如你所想象到的，有些人实际上表达了这样的想法：“我不想让一些机器围着我转”，或者是“如果机器人发怒或发狂了
怎么办”？
有些人一开始非常担心机器人助理在他们身边。另一些人则有一种相反的感觉，例如，“我每个月要给养老院支付一笔费用，花同样的钱，我可以有一屋子的机器人助理”（事实上，可真不是这样的）。在我采访的人当中，他们都有一种很强烈的感觉，即“我曾经能够待在家里自己做所有的事情并且保持独立性。而现在，我只是需要一小点儿帮助而已”。
在美国，住养老院的月均花费是3600美元，这远远高于大多数老年人的平均社会福利金收入。如果高端的个人助理机器人的花销只是养老院的年花销（43 200）美元的一半，那么，机器人只需要工作一年，人们为购买机器人所支付的费用也就值了。
最近的新闻报道中的一款独特的机器人是Jibo，这是由Cynthia Breazeal设计的机器人（图7是Breazeal博士及其软件架构师Jonathan Ross的照片。Breazeal在创业开公司之前，是麻省理工大学的媒体艺术和科学的助理教授，也是个人机器人组的主任。Breazeal的“艺术与科学背景”曾经让少数人感到迷惑，直到他们意识到，她的学位是UC Santa Barbara分校的电子和计算机工程硕士以及MIT的电子工程和计算机科学硕士和博士。
图7 Jibo的创始人Cynthia Breazeal和软件架构师Jonathan Ross，以及一个Jibo原型
Breazeal最早因为Kismet（如图8所示）而成名，并由此奠定了她在社交机器人设计方面的领导者地位。这款机器人是她的博士研究项目。
Jibo以世界上第一款家用的社交机器人而知名。在图7中，Jibo的照片并没有准确地展示出这款令人惊讶的机器人。你必须实际地看看这款机器人，才能够真正理解它看上去是什么样的，以及它如何移动和发声。是的，移动和说话。它可不是一个放在桌上的半圆体的镜子。它能够在几个方向上移动，貌似空白的脸上有一个视频屏幕，还有两个视频相机，在半圆体的较低的位置有一个放置扬声器的洞。说实话，Jibo真的很具有人性。
图8A Cynthia Breazeal和她的博士研究课题Kismet
图8B 社交性的Kismet机器人脑袋
Cynthia及其团队已经对Jibo进行了好几年的优化，依赖于她在大学的工作经验，以及她的团队所制造的“家庭的新成员”。她很快在众筹平台Indiegogo上将自己的目标从10万美元提升到数百万美元，这主要是因为她在机器人领域中有着令人惊讶的履历。一款基本的Jibo的价格为499美元起，针对开发者的版本价格为599美元，并且随着其所能说的单词量的扩展，其价格很快会超过1000美元。
需要花一整篇的文章才能够详细介绍这一款约28cm高的机器人，因此，如果你并不是在过去的一年里曾收到过第一款该机器人的幸运儿，那么，我建议你到互联网上查找其相关的众多视频和文章。
如果不介绍Amazon的Echo的话，这篇文章内容就不算完整了。Echo是由Amazon Lab126部门开发的，这是公司的一个高级产品部门，曾经开发过Kindle、Kindle Fire和Amazon Fire TV。Echo（如图9所示）肯定不是一款机器人，因为它不能移动、照相或者进行人脸识别，但它确实有一些居家的老年人所欣赏的功能。花了180美元之后，我对这一设备的功能叹为观止。
图9 Amazon Echo
Echo一直洗耳恭听，你可以通过读出单词“Alexa”来激活它（如果你愿意的话，也可以用“Amazon”这个词来激活它）。如图10所示的漫画，表示桌上的“阿拉丁神灯”似乎是能够进行神奇的操作的设备。你总是可以选择使用手持遥控器来调用该设备，或者只是从另一个房间里对着遥控器说话。它有一个很好的声音识别系统可供使用，该系统使用了7个麦克风组成的一个阵列。
图10 Amazon Echo的通常应用
尽管Echo内建的扬声器并没有达到高保真的质量，但对于一个23.5厘米高的设备来说，其声音已经很好了。它一点也不像Jibo，而且它也并不想要成为Jibo，但是，通过Wi-Fi连接到这台设备之后，我看到了很多的机器人的可能性。
和任何出现在市场上的新设备一样，可以确定有些人会将Echo完全拆开，并且对其进行逆向工程（尽管我可能不打算把我的Echo拆开，因为里面有很多的照片可供使用）。
我知道实验者将会找到一些非常独特而有用的方式来使用Echo。在12V的直流电源供应下，Echo工作的很好。我打算先用它几个月，并且在将来的机器人专栏文章中对其做一些介绍。
我曾经展望过轮式机器人使用一个SCARA手臂，该手臂配置为能够提供较大的抬举功能，而不需要使用多个耗电量较大的电动机。除了图6所示的Engelberger的设计，还有很多富有天赋的工程师在努力地设计家庭助理机器人，例如Hoaloha Robotics的创始人Tandy Trower。Tandy在Microsoft公司工作多年，创建了Microsoft的机器人团队和机器人开发系统，这些工作奠定了他在助理式机器人开发前沿的专家地位。
我和Tandy就其助理机器人设计的进度进行过很多次的谈话，他在慎重地考虑给自己的机器人添加胳膊的高昂成本，以及机器人是否真的需要胳膊。
Tandy将自己的研究集中于对这方面有急切需求的老人，这些老人在社会交往以及与家人和外部世界沟通方面，都部分地受到限制，并给渴望能够更多地参与其中。我所见到过的Tandy开发的原型能够很好地工作，并且能够提供比我所见过的机器人都要好的社会交互。你可以想象一下Breazeal的Jibo在一个可移动的底盘上工作，并且不要指望将来给它添加两个小胳膊。
图11所示的Aldebaran机器人已经吸引了很多的注意力，特别是图11中右边的Pepper机器人，这是联合日本的软银（SoftBank）公司一起设计的。这个1.2m高，重54kg的机器人，有20个电动机控制其多个关节，如图12所示。0.795千瓦时的电池，可以保证机器人运行长达12个小时。它有4个麦克风、2个摄像机、一个3D传感器，一个3轴陀螺仪，在其胳膊上还有多个声呐、激光和碰撞传感器。据宣传，这款社交机器人具备带感情地朗读的功能，并且它也面向老年人护理市场。
图11 Aldebaran的机器人家族：Nao、Romeo和Pepper
图12 SoftBank的多功能社交机器人Pepper
另一家法国的服务性机器人公司Robosoft在2010年发布了一款叫做Kompaï的机器人，如图13所示。它设计来帮助老年人。这款小机器人能够说话，理解语音，并且能够自主地导航。它以很多的方式，做着和Echo相同的事情，包括记录购物清单和播放音乐。它曾经是在老年人护理研究中应用机器人技术的一项关键产品。
图13 来自Robosoft的老年人护理机器人Kompaï
我专门关注能够在家中照顾老年人的机器人技术，因为我想要让读者构想一下，未来将会是什么样的技术来辅助我们独立地生活。你可能正在面临这样的场景，或者是有一个朋友、父母或亲戚需要照顾。养老院很昂贵，并且很少有人真的想要被送往养老院去生活，除非他们没有其他的选择。就像很少有老年人愿意承认他们不再能够安全地驾驶汽车一样，他们发现很难认同自己在家中需要接受照顾。
如果他们有一款个人助理机器人，并且比停着不开的私家车也多花不了多少钱（因为老年人可能无法再开车了），那么，你认为他们是会选择拥有这样的一台设备，还是放弃自己的独立性呢？这是我们每个人迟早都要面对的两难境地。
Tom Carroll撰文 李军 译
我们来讨论一个富有争议的话题。对于机器人看上去应该是什么样子的，或者认为怎么样才是好看的机器人，一些人的观点是很个性化的。我和任何人一样，也会有偏见。我个人多年来见到过很多的机器人，其中一些绝对是富有魅力的创造，而另一些则缺乏魅力。机器人的外貌很大程度上受到其设计目的的驱动。一些人可能会说，他们真的不在乎机器人的外貌是什么样的，只要机器人能做他们想要做的事情。就像海军的巡洋舰看上去和观光游船完全不同一样，为了战场而设计的机器人和为了在家中照顾老年人而设计的机器人看上去也大不相同。在很多机器人设计之中，外貌是和功能携手并进的。我想要忽略个人机器人的机械功能部分，仔细地看看什么样的机器人外貌能够吸引我们，甚至使其显得可爱。此外，机器人外貌也有一些方面是让我们人类感到不快的。
工业机器人不需要有明亮的颜色，而军用机器人则需要橄榄色或者披上迷彩的伪装，以便和战场的环境融为一体。典型的工厂机器人手臂，并不需要将其关节加以区分和保护以避免抓捏人类，因此，它们通常要安装在一个工作单元中。然而，对于可能经常要操作的个人家用助理机器人来说，它必须要小心地区分成人和孩子。对这种机器人来说，光滑的外表和圆角往往符合人类的审美眼光，而对于警用、军用和工业机器人来说，这不是必要的。
在某些设计中，脸部的外貌是很重要的，但是，很接近人类的外貌但又不是人类面庞的完美复制，就可能会落入到一个叫做“恐怖谷”的、令人遗憾的领域，如图1所示。这表示一个令人毛骨悚然的人类面孔，但是观察者又意识到了其并非是真人。遗憾的是，大多数机器人设计师试图避免描绘一个人类（或者动物，这是非常难的任务），并且有目的地转向足够产生一个非常不错的机器人设计的方向。
图1 恐怖谷
然而一些设计师在机器人上重新制造一张人脸方面，做了很不错的工作，这种机器人人脸是其发明者和设计师自身的一个复制品，例如，图2所示的石黑浩博士。其他的类人形机器人设计师，无论多么努力地尝试，也无法创造如图3所示的妇女的那样达到恐怖谷的深度的一张人脸。这个机器人似乎在人们第一眼看到她的时候就会令其受到惊吓。
图2 石和浩博士和与他高度相似的机器人
图3 恐怖谷的深度——这样的机器人一点也不酷
我曾经阅读过有关可爱的机器人的很多最新的文章。在某种程度上，我很少使用“可爱的”这个词，特别是当将其用于机器人的时候。然而，我可以想象到当某人遇到机器人带有一张笑脸的时候，他会感到多么的舒服。记住了这些事情，我先来看看“可爱的”这个词，并且将其用于描述机器人。我将假设“可爱的”意味着大都数人都会感到放心的毛绒小猫或小狗玩具，或者喜欢看到的诸如Pixar机器人、Wall-E机器人（这是Adrien Lambert所制造的一个模型，如图4所示）这样的电影角色。
图4 Adrien Lambert的Wall-E 模型
看看这双充满深情的眼睛……Wall-E看上去就像是废弃的地球上孤独的垃圾收集和打包机器人。尽管很多电影从业者走进自己的工作室并且构建了诸如Wall-E这样的、真正可以工作的模型，但我们都知道Wall-E是通过计算机生成图像（Computer Generated Imagery，CGI）来创建的。
早期的电影中的机器人，其眼睛会产生很大程度的亲近感，这源自于1986年的电影《Short Circuit》中的Johnny Five。图5所示的Number 5的愤怒的表情，表明了其最初的用途是作为军事杀人机器人。其独特的“外表”是Eric Allard的发明，他是一家开发有用的动作道具的电影特效公司的老板，而这些道具演变成了Johnny Five及其4个兄弟战斗机器人。未来概念艺术家Syd Mead提出该机器人的一个基本的外观和设计，但是，是Allard和他的团队的40名机器人技术人员开发了实际的道具，其中的一些如图6所示。我曾经有机会在1985年访问了Allard和他的团队，给我留下印象最深的，是他们在技术上的专业性。
图5 Number 5是一个愤怒的机器人
图6 Eric Allard和他的团队在为电影《Short Circuit》而工作
艺术家可能只是对机器人的外貌有一个想法，但是，需要真正了解机器人的机制的人，才能够真正地设计和构造一些东西。为Pete Miles和我所编写有关格斗机器人的图书（如图7所示）设计封面的艺术家，和驱动一个尖嘴锄或钢锯所必须的机械装置是没有关联的。封面只要看上去好看就行。《Short Circuit》剧组只不过是需要5个有时候能够一起拍摄的、活动的道具，但是Allard还为该电影开发了7种类型共计27个不同的机器人。
在图6中，Allard单膝跪地，但是注意穿着黑色T恤的男人似乎拿着一个“反向”外骨骼。这是一个一种很不错的技术，通过在反向的外骨骼的各种关节上使用位置性接口，可以将类似人类的手臂运动转换为一个机器人的伺服。外骨骼的穿戴者可以移动自己的胳膊并让机器人通过遥控（RC）系统的连接来模仿动作，而不是使用两个操纵杆来实现4个轴上的移动。
图7 《Build Your Own Combat Robot》一书的封面设计
Allard使用了如图6所示的眉毛以及如图8所示的邪恶的红色眼睛，开发出了该机器人的外貌。当Number 5在经过一次闪电式罢工之后（如图9所示，和演员Ally Sheedy在一起），它变为了很酷的Johnny Five，其独特的双轴眉毛使得他具有了可爱的机器人个性。他的眼睛就像是人类的孩子一样张得很大，只是为了发现他周围的世界，通过这一点，你就可以形象地了解其新的个性（如图5所示）。
独特的眉毛和关节式的头部驱动器，是开发动作性道具的外貌的关键因素。当机器人Johnny Five的脑袋向一边倾斜，并且眉毛上扬的时候，电影观众很容易感受到他的无辜。Allard掌握了专门用于电影行业的机器人的外貌特点。
图8 Number Five邪恶的眼睛表明他准备要发射激光了
图9 Johnny Five和Ally Sheedy准备开始拍摄
如今的电影动作机器人道具从严格意义上讲只是CGI，而不再是像以前那样由真正的金属和电线制作而成，这有点令人失望。Johnny Five可能是最后一个，也是最好的纯机械的机器人动作道具。是的，电影中还有很多令人喜爱的机器人。《Metropolis》中的机器人Maria、《The Day the Earth Stood Still》中的 Gort、《Forbidden Planet》中的Tobor the Great，到上面提到的《Star Wars》中的机器人R2D2和C-3PO，在很多科幻电影中，机器人都扮演了主要的
角色。
几乎所有早期的电影机器人都是由人类穿上了机器人的服装来扮演的，包括R2-D2。从Johnny Five开始，对电影道具的机器人构建规范做出了一个很好的改变。它是真正的电子机械机器人，尽管有一个遥控器控制其机械手。
有的时候，机器人的外貌需要某种感情，但是，有限的预算导致在开发完整的机器人方面受到限制。当Twentieth Century Fox公司要求我为电影《Revenge of the Nerds》制作一款机器人的时候（实际上是4个机器人），他们要求有关节式的胳膊，并且胳膊可以随着肩膀和肘部而移动。
我当然没有Allard在为《Short Circuit》电影工作时那样的上百万美元的预算，因此，我必须提出一个能够在两个轴上移动的胳膊的设计方案，但是成本又要很低。为了接近人类胳膊向前移动并抓住某些物体的动作，我在两个滑轮上使用了8字形缆线布局，肩膀和肘部各有一个滑轮，从而使得胳膊的下半部分和上半部分能够同时移动。
图10 机器人的胸部展示了一个8字形的线缆布局，以移动胳膊的下半部分
类似的布局如图10所示。当胳膊的上半部分向上45°的时候，缆线将会把胳膊的下半部分提升45°，一共达到90°。这使得我不必在肘关节上放置沉重的齿轮马达。我实际上为3部《Revenge of the Nerds》电影构建了小的蓝色机器人。电影工作室通过在其中间切了一个洞，并且插入了一个小啤酒桶，从而对其进行了改造（在我看来，这真是糟糕的改造啊）。
有时候，改进可能只是为了增加美感。大多数科幻电影似乎都没有使用正确的技术场景。化学实验室中，背景中总是有很多烧瓶，烧瓶中有多种颜色液体在沸腾冒泡。电子系统在失败的时候要么电火花四溅，要么冒出一股浓烟。在我的职业生涯中，我在100多个不同的实验室里待过，实际情况并不是这样的。锃亮的、崭新的电子控制台并没有成排的闪烁的灯，也不会总是那么干净而闪出耀眼的光。实验室和科技产品并不总是会清理的很干净，除非是准备好了要给重要人物参观。电影《Brainstorm》中的实验室的场景才是正确的。
比较逼真的例子是，众多的《星球大战》机器人身上的污点。可爱的、小的R2-D2也并不是一个干净的机器人，如图11所示，只不过在参加第1部电影完成拍摄的庆祝仪式的时候，它全身都擦亮打磨了一番而已。充满灰尘的、肮脏的星球上的生活，真的可能会把一个干净的机器人搞得灰头土脸，并且所有的R2-D2同类机器人，似乎身上都带有污点。电影制片人George Lucas很善于让他的机器人造型呈现出完美的外貌并且带上齐全的装饰，但是，星球大战可能会有点一团糟。
那时候，我并不确定为什么Lucas要在众多的场景中让演员Kenny Baker（如图12所示）穿上狭窄的机器人造型服饰并扮演机器人。在20世纪70年代的时候，高级的无线电控制系统已经可以使用了，尽管还并不像今天的 2.4 GHz数字系统那样高级，但是，Lucas认为Baker给了R2一种特殊的“活着的”感觉。然而在很多的场景中，还是使用了无线电控制系统来让R2-D2快速地移动并跟着某人。Lucas的世界级的特效工作室ILM仍然是让我们大吃一惊。
图11 在一天辛苦的工作之后，小R2-D2浑身肮脏
图12 矮小的Kenny Baker穿上R2-D2的造型服装
我打算现在探出头来看看该选择哪一款机器人作为最可爱的机器人。我知道有成百万的人会认同我的选择。我的选择是最新的《星球大战》系列电影中的滚动的机器人BB8。即便它比R2-D2小，2015年4月在加州的Anaheim举办的2015 Star Wars庆典上，BB8（如图13所示，其中BB8和他的伙伴站在一起）也能在人群之中支撑着自己的身体去滚动。
我必须说BB8在机器人美学方面并不是很突出。只不过它的移动模式是最有魅力的，因此我更愿意使用“酷”来描述这款令人惊讶的机器人。我在之前的一些文章中也提到过它，以及Sphero如何使用它的一些技术来帮助开发机器人动作道具。Sphero在市场上以150美元的价格销售BB8，并且它使用一个智能手机作为控制器，该机器人制作精美而且功能完备。Hasbro有一个价值80美元的BB8模型，它更大一些，并且也有自己的控制器，但是在我看来，其功能并没有打造的
太好。
图14所描述的场景来自于《星球大战》系列电影的第17部《原力觉醒》，其中，BB8在沙漠中滚动。尽管动作道具的机械性能令人惊讶，但是对于某些场景，例如让球体粘上沙子以及只让头部移动等，还是需要对沙子和其他困难的地形做一些特殊处理。
图13 《星球大战》中的两个著名的机器人：R2-D2和新的BB8
图14 《星球大战》预告片中的Daisy 和BB8
图15展示了BB8的一种可能的内部机械系统，它允许头部沿着一个内部的弧线轨迹移动；我假设是通过磁铁来实现这一旋转轨迹的。
BB8的头部如图16所示，它是由一名英国机器人爱好者制作的，我们随后会介绍他。他的YouTube视频展示了自己非常好地掌握了在较矮的球体上平衡头部的能力。我可以大胆地说，BB8将会取代R2-D2的地位，成为历史上最酷的电影机器人。当然《禁忌星球》中的Robbie、《迷失太空》中的B-9、Tobor the Great、Johnny Five以及很多其他的机器人，仍然在我们的心目中占有一席之地，但是，BB8将会成为它们之中的佼佼者。
图15 howbb8works站点上展示的 BB8可能的内部机械结构
图16 英国YouTube视频上展示的一个BB8实际的工作模型
图17所示的Baxter机器人由Rodney Brooks开发，他是iRobot的创始人之一，也是前MIT的教授。Brook的公司Rethink Robotics，在2012年以能够完成简单的工业任务的入门级机器人的最低成本（2.5万～3.5万美元），将这一机器人作为最新样式开发出来。这一成本使得它对于那些小公司很有吸引力，这些公司需要在一条组装线上或者类似的应用中进行小规模的部件或产品操作。
图17 Rodney Brooks创建的Rethink Robotics公司生产的Baxter机器人
潜在购买者发现这款机器人相当具有吸引力的主要功能之一，就是该机器人的外表。它的双臂上不仅拥有彩色的工业塑料的外表，而且脑袋上有着动态的面容，可以告知程序员或用户其当前的状态或者它在关注什么。
这款0.91米高的机器人可以放到一个移动的平台上，以使其达到1.78米到1.9米的工作高度。该机器人重达149.6千克到277.5千克（差别在于带基座和不带基座），也曾经在大学实验室里用做研究性的平台。通过嵌入到一台标准PC上的流行的开源ROS语言来操控，可以很容易地对机器人“编程”，从而让操作员在工作环境中物理地移动其胳膊，以便让Baxter执行一项任务。该机器人随后将会记住这些动作。
该机器人一般并不需要那种费力地输入到系统计算机中的很多行代码的编程。该机器人有一个视觉系统、力量传感器和真正能够检测附近的任何人的传感器。典型的富有力量且快速移动的工业机器人看上去对操作员来说很危险，而相比之下，这款机器人有着其独特的优点。
最近另一款冲击市场的机器人是Cynthia Breazeal的Jibo，如图18所示。我在之前的《医疗健康机器人》一文中将Jibo作为健康护理机器人领域的新进入者而进行过介绍。Breazeal和她的团队似乎很重视机器人的潜在外貌，因为这款机器人倾向于在个人家中工作。
图18 Cynthia Breazeal的社交机器人Jibo
尽管很多有关该机器人的照片似乎展示Jibo就像是一个桌上台灯（因为很少有照片展示了其彩色的LCD显示屏），但实际上，这是一款复杂的机器人。尽管它不是一款移动的机器人，但它配备了一个带有引擎的基座，这使得机器人能够面朝着人而转动，就好像是人在和它交谈一样。
尽管人们将其描述为“社交机器人”，但是“家用机器人”似乎更适合说明Jibo实际上是如何通过与人沟通而成为家庭的一份子的。
Breazeal在MIT工作多年，长期处于高级机器人研究的前沿，并且她的机器人颜值很高。她在MIT任教职期间，开发了几款机器人，其中最为知名的一款是Kismet，是拥有大眼睛和长耳朵的、外表类似于外星人的机器人。这一独特的配置使得人们能够接近机器人并对其感到舒心。
Jibo也是类似的，很容易接近，并且这使得它成为一个理想的家庭伴侣。正如Jibo的CEO Steven Chambers所说的“我们已经拿到了漂亮的消费者体验的船票”。我相信这个50人的小公司已经达到了这个目标，并且正在生产真正具备功能性的家用产品。读者可以从互联网上了解关于Jibo的更多信息。
Ken Maxon不是那种典型的机器人实验者。我第一次见到Maxon是在10多年以前，是在西雅图机器人协会（Seattle Robotics Society）的周年Robothon展上。我曾经在过去的文章中介绍过Maxon的机器人，我必须说他的创造毫无疑问是我所见过的最美的机器人。我使用“美丽”这个词，是因为对我来说，其众多的部分很好地构造到一起。这些机器人在其各自机械化的铝合金部分中，展示出了一种美感，如图19所示。如果你在互联网上访问Max’s Little Robot Shop，你将会花上很多个小时去查看他曾经参与的所有项目。你不仅会看到错综复杂的机械过程，而且会看到制作这些机器人所需的电子知识和设计。
图20所示的真空吸尘器机器人是Frank Jenkins大约在25年前家庭自制的机器人的一个示例，我觉得它是一款真正的艺术品。在制作它的时候，微控制器还不是很流行，它使用了一台Ampro 386SX主板的计算机和4MB的内存。对于清理大多数家具下面的位置来说，这款机器人有点太高了（和今天的家居清理机器人相比），但是它通过使用80个独立的传感器，在移动性方面表现的非常不错。
图19 Ken Maxon的机器人
图20 25年前，Frank Jenkins的HomeR吸尘器机器人
Jenkin是加利福尼亚机器人协会（Robotics Society of California）的一名成员，并且他向协会组织展示了他的家庭吸尘器机器人HomeR。HomeR高58厘米，重20千克，使用了一个Black and Decker牌的手持吸尘器系统来实现打扫卫生的功能，并且它能够自行找到充电插槽。这款美丽的机器可能无法钻到一个较低的咖啡桌的下面，但是它是我所见到过的构造最令人惊奇的机器人之一。
正如老话所说的，“美丽在善于观察的人的眼中”。这肯定也适用于机器人领域，或者任何其他的爱好者的领域，只要在该领域中有人制造出一些能够让其他人可视化地看到或欣赏的东西。
不管你构建一款机器人的理由是什么，它必须首先让你享受作为构建者的乐趣。如果你试图开发一款执行特殊目标或任务的机器人，其次才考虑美学效果，那就让它那样吧。这取决于你自己的项目和设计。
然而，如果你首先要满足的目标是个人成就感，那不妨花点额外的精力，给机器人添加一个外壳或者喷上一些油漆，让它好看一些吧。Frank Jenkins的吸尘器机器人的外壳就吸引了我的眼球。然而，Ken Maxon的机器人则以其内部的机械构造吸引我和很多其他人的。
记住，要制作一款好看的机器人，你并不需要像Ken Maxon那样的一个大的机器人商店，只要留意去做一些更好的事情，或者是独特的事情就行了。真正的机器人爱好者，将会看到任何好的机器人项目的内在之美。
Tom Carroll撰文 雍琦 译
我刚读完Martin Ford的一本书——《机器人时代：技术、工作与经济的未来》。在该书的前言里，Martin讲到诺贝尔经济学奖得主Milton Friedman参观某个亚洲国家运河工地的事。多年以来，我听过这个故事的很多版本。Friedman被工地上的场景惊呆了，这里没有现代化的拖拉机和重型推土机，工人们挖地所用的工具只有铲子而已。他问身边的人，怎么工地上机械化设备这么少。陪同他的政府官员回答说：“你不懂。这是为了促进就业。”Friedman的回应后来成了名言：“原来如此。我原以为你们想挖运河呢。如果是为了促进就业，你们应该让工人用勺子挖，而不是铲子。”
在一一介绍种类繁多的机器人之前，我想先回顾一下过去45-60年间机器人产业的发展历史，看看真正实用的机器人是怎样诞生的。
图1展示了一种60多年来已处处可见的日用产品：彩色电视机。20世纪50年代的电视机，还用着笨重的孤面玻璃电子射线管显像器（CRT），其内部线路是手工连接的，电子元器件体积很大。
图1 电视机价格占收入比：1954 vs. 2014
到了2010年代中期，电视机早已告别“粗犷”的CRT显示器，转而使用LCD显示技术。这种电视机完全由机器人组装。
正如图1所示，20世纪50年代的人得工作508个小时才能买得起一台电视机，而现在只需工作7.8个小时就能买到一台品质好得多的电视机。
本文一开始所引Friedman所说的话，让我不由得思考起这样的问题：机器人在工业、家庭、医院甚至战场上的广泛应用，会对我们的社会造成怎样的影响呢？在机器人发展的早期，很少有企业会购买和使用机器人。即使有企业这样做了，也不是真的觉得这样能提高生产效率，而是为了向竞争对手显示自己与时俱进。在计算机的早期时代，情况与此类似。
有些企业会在仔细研究了计算机将带来的好处后，买下一台计算机，用它帮助提高生产效率和利润。有些企业则只是把大型主机摆在僻静角落里向来访者炫耀，与此同时，其员工仍用着计算器埋头苦干。
敏锐的企业家善于发现怎么用好机器人，让它真正成为帮手。有发明家精神的人会这样问自己：“某项费时费力的工作，机器人是不是能干得比人更好呢？”“有什么办法能让这项工作变轻松吗？”“用机器人替代工人，是不是能够提升安全性呢？”“机器人能做得更快更好吗？”“小小的自动吸尘器能极有效率地清扫地面，完全不需要人的干预，能不能把这种发明推广到其他地方呢？”“如果用机器人代替警察和战士，我们仍能打赢吗？”
最后一个问题让我想起一个老笑话：“如果战争来了，但没人上战场，谁会赢呢？”没人赢，还是都赢了？如果参战的都是机器人，最起码的好处是人的性命保住了。请读者想象一下，这将意味着什么。
第一台“真正”的机器人，而不是机器人玩具，是Unimation公司于1961年生产的Unimate，如图2所示。这种机器人脱胎于George Devol的专利发明“Programmed Article Transfer”。Unimation公司是由Joe Engelberge同Devol一起创建的，他们当时向工业领域推销所谓的“操作者”概念。那时的企业领导者对使用机器人这种想法嗤之以鼻，觉得这种发明难以适应“现代的”工作环境。
图2 第一台工业机器人：Unimation Unimate
Devol和Engelberge用不断改进的产品为自己说话。不久之后，他们开始称自己的产品为“机器人”，并把第一台Unimate卖给了通用汽车的新泽西工厂。这台机器人的工作是，从锻造炉里取出滚烫的铸件。
人们在20世纪60年代预想机器人将是一种纯粹的用于工业生产的工具。起先，工人们担心机器人会取代自己，造成失业。但是，当他们看到机器人能干油漆、焊接等苦活累活，能毫不疲倦地做重复性动作，转而欣然接受了这种新事物。有些“被取代”的工人很快重新找到了工作：为取代他们的机器人编写程序。过去几十年间，机器人产业发生了戏剧性的转变。有兴趣的读者可以找找我之前那篇介绍Engelberge怎样把机器人从工业领域转向家庭和医疗领域的文章。
机器人到底为工业生产带来了什么？除了从事拿出滚烫的铸件这类危险性工作，机器人很快学会了喷漆（如图3所示）、焊接（如图4所示）、搬运物料、精细化组装以及其他各种各样的工作。
图3 机器人喷漆
图4 机器人焊接
企业主们很快发现，越安全的工作环境越能省钱。喷漆和焊接产生的有毒有害物质，会损伤工人的身体，这就如同重体力活、极高/低温、重复性劳作等会对人体造成损伤一样。不论是企业管理层，还是一线工人，都乐见越来越多的工种由机器人取代。结局并非如图5所示的那样。
机器人的应用体现在日常生活的方方面面，并不仅限于工业领域。媒体和电影常把机器人描述成一种强大的存在，实际上这也不尽然。比如，一个体重80千克的人可以操作甚至抬起与自身体重相等的重物，而这是机器人永远做不到的。
图5 这里把机器人代替工人描述为一桩坏事
机器人擅长的是，搬运和放置15千克的小东西，以快速而准确的动作反复从事这项工作——而这样的工作往往有损于人体健康。
（人类从事的）重复性劳作，比如给数以千计的电路板安装元器件，很容易出错。而机器人不会犯类似工人的错误，对它们来说，每一次组装都是一项全新的工作。与此类似的是汽车组装线上的点焊和气焊工作，这种工作需要操纵并定位笨重的焊机头。
我以喷漆和焊接作例子，是因为这两项工作是最先使用到汽车自动装配线上的，而且很快进入了其他生产领域——从小型手持设备到大型轮船。
以机器人人代替工人的另一个好处是，就长期而言，这样更能节省成本。尽管自20世纪60年代
以来，机器人的价格一直在下降，但直到今天仍说不上便宜。况且，购买机器人之后，往往还有安装和培训等其他费用。但在管理层眼中，这种替换的好处会在以后慢慢显现：机器人不需要休息，几乎可以无限使用；机器人不会罢工，让做什么就做什么。
是的，机器人可能会需要休息。但这种休息只是“偶尔为之”，比如维修和保养。图6中显示的是克莱斯勒公司美国工厂里的机器人，数量多达1100个。这些机器人需要有人类监督者管理和保养，他们在生产线上的工作也需要人类搭把手。但是请注意，这个车间里的机器人数量远远多于人类。有价值的机器人程序能够显著提高生产效率，降低成本，并为人类工人提供更好的安全保障。
图6 克莱斯勒公司美国工厂里的1100台机器人
目前为止，本文的关注点一直是工业机器人，这主要是因为工业领域是最先采购和使用机器人的。对于一个国家的经济来说，工业机器人的价值无限。尽管如此，工业机器人也只是机器人家族众多成员里的普通一员。私人、家庭、军事、警察、医疗以及其他各种你想得到的地方，都有机器人的身影。在美国工业领域，目前机器人与工人的比例是164:1000，机器人的安装数量仍有很大的增长空间。
工业机器人的发明在美国，但其他国家正以极快的速度在机器人产量上赶超美国。中国正在奋力追赶美国，如图7所示。
图7 1970年以来世界制造业强国的工业产品出口
机器人将在家庭和医疗领域得到极大的应用。2016年圣诞节的无人机销量数以百万计，BB8和R2D2机器人用掉的电池不计其数，而机器人的销量与此不相伯仲。人们对机器人趋之若鹜，美国联邦航空管理局已经不得不考虑与此有关的安全问题。（本周我注册了我的无人机，我觉得我大概会得到5美元的返现。）
无人机和玩具机器人是2016年圣诞节的销量冠军，而以Parallax、乐高和VEX公司为代表的教育型机器人，早已遍布全球各个国家的学校。
玩具机器人和玩具无人机对人类来说有什么益处呢？一个显而易见的简单答案是“好玩”。很多无人机的命运都很惨烈。如果无人机在30.48m高空突然没电了，它们的结局往往不是挂在树上（如图8所示），就是撞到路上。当然，让它们满血复活也不是什么难事（如图9所示）。
图8 不小心挂到树上的无人机
图9 为了不再挂树上，就把树砍了吧
玩具机器人广受欢迎，老少咸宜。不过，我在这里想要介绍的是机器人在某个严肃领域的成功应用：医疗。医用机器人有很多种分类，如外科手术机器人、导医机器人、医用假肢和外置骨骼、患者远程监控机器人、家庭医疗助理机器人。
医疗费用正在以飞快的速度增长，医院和医疗人员对此十分焦虑。而机器人能在全面提高医疗水平的同时，显著降低医疗费用。
我亲身体验过外科机器人。我可以负责任地告诉你，外科机器人并不是要代替医生实施手术，每一种外科机器人只是在特定外科项目上为医生提供帮助。前列腺手术可以很好地说明这一点。通常来说，医生难以在普通的手术台上清楚地观察病人身上的这一部位。
使用达芬奇这样的外科机器人，医生可以舒服地坐在离患者4.57m的地方，在电脑控制台上清楚地观看病患部位的高分辨率彩色三维图像。控制台的另一端可以换装不同的医疗设备，用于分离体内组织、缝合器官等手术操作。机器人的好处显而易见。
就在几个月前，我刚写了一篇关于健康护理机器人的文章，不过那篇文章偏于这类机器人的发展历史。在此处，我想重点谈一谈使用这种机器人的理由及其在经济上的好处。
就像我早先说过的那样，健康保健方面的费用像坐着火箭一样不断上涨，这在很大程度上都是人为造成的。预计到2030年，美国会有20%的人口年龄大于65岁，而这个比例在2010年是13%，1970年是9.8%。像日本那样的国家，老龄人口的比例更高。
我极其渴望真正有用的健康护理机器人能得到长足发展，尽管它们现在的应用还有很大的局限性。而且就可以预见的将来而言，机器人还不能完全胜任健康护理方面的全部任务。
人类的灵巧性、对于力道的把握、细致的感官，以及控制这一切的最强的“电脑”——人脑，所有这些使得人类在各个领域都比机器人强。
之所以要在家庭健康护理上引入机器人，主要目的是为了降低人工费用，这同其他行业没什么两样。此外，人类无法胜任连续168小时的不间断工作。168小时也就是整整一个星期，这通常需要人类护理员倒4个班。想想这些事情吧——护理员病了，要休息了，要吃饭了，工作态度消极了——你就会意识到拥有一个可靠的护理机器人具有多么大的意义。
1年有8 760小时，如果护理员每小时工资15美元，那么你一年的花费将是131 400美元。除了如此巨额的费用，还有像走马灯一样换班的、缺乏专业经验和知识的护理人员。
一般来说，一个人需要护理服务并不意味着要有一个注册护士7×24小时陪着他。他并不需要专门提醒吃药的或者像条哈巴狗那样一直围着转的机器人。对于需要护理服务的人来说，他们希望有人帮助做一些简单、但对病患者来说危险的事情。比如，跌倒了能帮着扶起来（还能确认有没有摔坏），帮着上厕所，帮助上下床，帮助推进推出轮椅，帮助拿高处的东西等等。
对大多数人来说，简单地处理食物是小菜一碟的事情：把食物从冰箱里拿出来，放到微波炉里，调好时间和温度。但对一些上了年纪的人来说，这些动作难比登天。这就是机器人能派上用场的地方。同样有用的是患者远程监控机器人（如图10所示）。通过这种机器人，健康顾问和家人能随时观察家里老人年的情况，随时沟通。
图10 患者远程监控机器人日益强大，有许多公司在生产老百姓用得起的此类设备
合理控制机器人与人体接触的方式，是机器人设计的一大挑战。在这方面我已经钻研了好多年。盯上机器人弄伤人类这种官司的律师，多得像牧场上的苍蝇。而现实情况是，需要身体接触的护理项目多得不计其数。很多时候这与病患者的体重有关，机器人要能恰到好处地根据病患者的体重来用力。
图11所示的Robear机器人就是这种设计的一个尝试。它能托举起一个人，尽管此处“托举”的含义不甚明确。被托举的人意识清醒吗？如果病患者是昏迷的，机器人怎样才能在既不捏伤皮肤，又不把其身体折成V字形，还能避免掉下来的情况下，把手臂伸到其背部，把他托起来呢？我想还是得先让机器人学会护理意识清醒的病患者，然后再逐步扩展其功能。顺便说一句，家庭健康护理机器人不是非得长得跟电影《机器人与弗兰克》里的那位一样（如图12所示）。（当然，我个人是非常欢迎这个长相可爱的小伙伴住在我家里的。）
图11 Robear护理机器人能够托起病人
图12 电影《机器人与弗兰克》剧照
外置骨骼的发展在近几年备受瞩目，无论是在增强人体力量方面，还是在帮助伤病人员的康复训练方面。人体运动需要调动肌肉力量，外置骨骼则能赋予肌肉更大的力量。
外置骨骼使用当今最新式的高密度大能量锂电池驱动，而不是老式的化学电池。但就是对锂电池来说，满足外置骨骼运动中需要的峰值能量，也是一个考验。
对于伤病人员康复训练来说，外置骨骼还是个新事物。目前而言，它仍比较笨重，不适宜长期佩戴。《Design News》杂志2015年第12期刊有一篇文章，介绍了一种双臂理疗机器人（如图13所示）。这种机器人由德克萨斯大学奥斯汀分校研制，在帮助上脊柱和神经损伤康复方面，具有开创性的意义。它能根据人体反馈力量的大小作出相应的反应，记录伤病人员的表现情况，跟踪其康复过程，最终达到理疗目的。
图13 用于上身理疗的Harmony外置骨骼
《连线》杂志2014年9月期刊有一篇文章，介绍了美国海军所使用的工业用外置骨骼“FORTIS”（如图14所示）。FORTIS并非要把战士升级成“钢铁侠”，而是用来帮助工人完成工业作业的。比如修造船舶时，工人往往要长时间半蹲着，或者连续几小时扛着重达16千克的点焊机。对于工人来说，这种情况与汽车生产线上的作业相似：长时间扛着重型设备实在是太折磨人了。
请注意图14中FORTIS背部的可调节对重平衡物，它能在相当程度上缓解工人背部的压力。FORTIS的重量只有16千克，工人穿着它仍能爬梯子、走台阶，其他大多数动作也基本不受影响。
图14 美国海军的FORTIS外置骨骼
FORTIS是靠人力驱动的，这与外置骨骼靠电池驱动有所不同。但二者的结构和关节设计有共通之处，非常利于相互借鉴。FORTIS或许还称不上是机器人，但它无疑为减轻工人负担作出了贡献。
机器人高度发展，自我生产，超越人类，这是科幻小说里常有的经典套路。如今，仍有未来学家对此惴惴不安。剑桥大学的一个研究团队发明了一种“母体”机器人，它不仅自主生产下一代，更能将进化的自然特性选择引入这一过程，其子子孙孙一代更比一代强。
图15展示的就是这个“母体”机器人，图16里的小蓝方块则是它的“孩子们”。每个小蓝方块体内有一个马达，它身边更小的方块则只是方块而已。把这两种方块粘到一起，它们就能动起来。“母体”机器人检查每一对组合在特定时段内能走多远，把表现最好的组合移到另一区域。如此反复，至10“代”为止。
图15 剑桥大学研究的“母体”机器人和它的“孩子们”
图16 “母体”机器人操纵“孩子们”的过程暗合进化规律
这就是人工智能吗？当然不是。“自然选择本质上就是复制、评估、复制、评估的连续过程”，剑桥大学工程学院的首席研究员Fumiya Lida博士如是说：“‘母体’机器人正是这么做的。我们可以从中清楚地看到演进和分化的过程。”机器人自我复制是“好事”吗？让我再想想吧……
我觉得没必要在这里列出所谓“好”的机器人都有哪些，也没必要面面俱到地介绍机器人已经一展身手的领域。我的目的是想让读者同我一起思考这样的问题：一种新型机器人面世，将为人类社会带来什么好处。
图17里的机器人对着显微镜作研究状，很有科研人员的味道。但实际上，现在的人工智能和高级计算机是通过视像分析系统直接研究观测数据的，其水平之高、能力之强，让传统方式难望其项背。
图17 未来学家Peter Cochrane描绘的场景：机器人和显微镜
图18里的机器人有点闹情绪，看来仍由人类担任护理工作比较合适。是吧？
图18 老年人护理机器人的进展
Tom Carroll撰文 雍琦 译
“挑战者号航天飞机失事30周年”是最近一段时间以来各种报纸、杂志、电视新闻的头条——特别是在2016年1月28日那一天。当今世界，科技发展的速度惊人，成果日新月异，备受瞩目。但有的时候，它也会造成让人意想不到的后果。本文将跨越单纯的机器人领域，回顾近些年来发生过的重要科技灾难。30年前的那场悲剧，正是科技灾难的典型案例。
我对挑战者号失事的那天记忆犹新，可能很多人跟我有同样的感觉。挑战者号在升空73秒后因液体燃料舱爆炸而解体（如图1所示），此事的影响远超想象。挑战者号是全世界最复杂的、最让人惊叹的科技奇观，却以戏剧性的方式宣告失败，造成7人遇难。事故发生的时间是1986年1月28日上午11点39分，地点在肯尼迪航天中心火箭发射场。（对我来说，那是10点39分，当时我正在位于休斯敦的约翰逊航天中心。）如果你明白事件原委，就会知道为什么它对我的打击如此之大了。
图1 1986年1月28日挑战者号爆炸
我曾是NASA承包商Rockwell公司的首席工程师，负责开发空间站远程移动操作系统（Space station’s Mobile Remote Manipulator System，MRMS）。有一次，我刚刚代表我们设计团队向NASA做完项目报告，同NASA的同事一起走出约翰逊航天中心会议室，准备稍事休息。大厅对面是宇航员教练室，分别属于Christa McAuliffe和Barbara Morgan。Christa（如图2所示）正巧在这，我们就同她攀谈起来。她活泼爽朗，热情洋溢，给人的感觉就像是在圣诞节得到了整个玩具店作为礼物的小孩子。她的礼物确实非同凡响：一趟太空之旅。
作为一名宇航员教练，Christa特别善解人意，带着我们参观了A训练舱（如图3所示）。A训练舱是一间热真空舱室，直径16.7米，高27.4米，我和NASA那位同事首次目睹了它的真容，而Christa的博学令我们叹为观止。我们三人边走边聊，参观了约翰逊航天中心的好几处地方。我后来给Christa发去了一些Rockwell机器人项目的资料，以供她教学之用，她很客气地感谢了我。她真是一个魅力十足的人啊。
图2 宇航员教练：Christa McAuliffe
图3 约翰逊空间中心的热真空训练舱A
我曾多次访问约翰逊空间中心，有一次曾有幸结识了Judith Resnik博士（如图4所示）。Judy拥有卡内基梅隆大学的电子电气学博士学位，是NASA Canadarm航天飞机远程操作系统（Canadarm shuttle remote manipulator system，SRMS）的专家之一。她向我介绍了早期版本的航天飞机尾舱Canadarm模拟器（如图5所示），带着我跑了一遍全程操作。
图4 Judith Resnk博士，NASA航天员
图5 加拿大宇航员Marc Garneau在Canadarm模拟器控制台前
在操作过程中，我们还留了一张合影（可惜我没保存下来）。我双手把着操纵杆，假装在操纵机械臂，她还展开双臂抱着我，与我“击拳”。坦白地说，那场面就像一个幼儿园小朋友坐在史蒂芬·霍金身边瞎玩。她是个在工作中创造力十足的工程学博士，我虽然也是个博士，但我在SRMS方面要学的东西还很多。
几个月后，正是那场灾难发生的当天，我碰巧又回了一次约翰逊航天中心。还是在那间会议室，我手持教鞭站在台前，介绍我的MRMS。NASA项目管理员示意我暂停一下，因为再过几分钟航天飞机就要发射了。我身后上方巨大的CRT显示器上，正在直播发射现场画面，已经进入倒计时了。我坐到了讲台上，与其他人一起看着屏幕，教鞭像一根手杖似地垂到地上。我们看到的是NASA内部直播画面，因此并没有画外音作讲解说明，只有公共事务发言人Steve Nesbitt冷静的声音。
正当我在那里跟其他人一样看着直播画面时，我听到了“CAPCOM”。Richard Covey告诉宇航员，现在可以“推进节流阀”。航天飞机指挥员Dick Scobee确认信息：“收到，推进节流阀。”3秒后，导航员Mike Smith突然大喊一声。这就是挑战者号上传回的最后声音。
怎么回事？我在直播画面上看到了巨大的火球，两条弯弯曲曲的烟从固体燃料舱冒出来，不一会儿燃料舱就从航天飞机上掉了下来。我当时就懵了，不敢相信看到的是什么。我虽然没有参与航天飞机发射，但哪怕不是“火箭工程师”也看得出来，事情不对劲。几秒钟后，Nesbitt的声音从直播中传来：“飞行控制室正在密切关注事态进展。显然，出现了重大故障。”我一下子惊醒过来，恢复神智。声音继续响起：“我们从飞行动态办公室获悉，航天飞天爆炸了。”会议室陷入死一般的寂静。
我脑中闪过无数画面，从航天飞机巨大的爆炸，到那上面载着的两位我认识的宇航员。在近乎麻木的几分钟之后，我冲出大厅，打电话给我妻子告诉她发生的一切。你看，当灾难来临时，它是真真切切地关乎个人的。
就像许多读者知道的那样，图6中的两个直径3.65m的O型环是用来密封出故障的固体燃料舱的（SRB）。密封垫上极小的泄漏，就会产生喷向右侧SRB支柱的明火，舱内的氢氧混合燃料受热爆炸，直接导致了事故发生。航天飞机在发射前，在零度以下的环境里等了一个晚上，O型密封环受冷发硬，密封效果打了折扣，没有达到设计要求的功能。
图6 O型密封圈受冷发硬，没有达到设计要求，造成燃料泄漏
SBR的建造者Morton Thiokol对于O型密封圈受冷发硬是有所担心的，但NASA一意孤行，没有听取他的建议。每一个SBR装载1100吨固体燃料。当SBR的支柱被烧断，燃料舱就会开始碎裂，泄漏出来的燃料相互混合，产生大火球。在发射过程中，SRB中的燃料已经基本燃烧殆尽，航天飞机主舱内的2050立方米液体燃料也已经烧得差不多，但事故发生时剩余的燃料仍然足以造成爆炸。小缺陷引起了大灾难。如果你想深入了解此次事故的话，网上有足够多的材料可供查阅。
作为候选宇航员之一，Barbara Morgan后来接受专业训练，参加了哥伦比亚号航天飞机任务。2003年2月1日，哥伦比亚号航天飞机在返回地球时爆炸，这是继挑战者号之后的又一次航天飞机灾难。那天我又刚巧在同这次飞行任务有关的特殊地点——澳大利亚悉尼市。正当我和妻子准备收拾行李离开酒店时，服务生急匆匆地敲开房门，告诉我说：“你的航天飞机刚在返回途中爆炸了。”哥伦比亚号当然不是“我的”航天飞机，但我是美国人，因此服务生觉得我应该知道。
哥伦比亚号返回地球时，身上掉下的一块绝缘泡沫砸中了机翼前缘，导致防热罩受损。我们都知道航天飞机返回地球时会经历什么。航天飞机发射和返回面临的技术问题不尽相同，但它们同样都有致命的危险性——这就是两次灾难带给人们的血泪教训。
要是你能回答这个问题的话，马上会有无数公司赶着来敲破你的门了。好的工程设计包含一系列试验过程，用以确保产品质量。产品可能是个简单的纸夹，也可能是价值百万美元的机器人或航天飞机。Elon Musk的Space-X是一家成功的私人航天公司，这家公司一直以来在试验飞船尾部着陆。一旦测试成功，将能以较低廉的价格开展航天服务。这项试验在2016年的1月17日几乎取得成功。在当天的试验中，Falcon 9号在发射过程中使用过的第一级舱体已经返回到驳船上的着陆点，可惜在慢慢回正舱体的过程中有一根支柱倒塌了。这可能是发射前天气过冷导致的机械问题。佛罗里达那倒霉的大雾天气啊！
Musk的竞争对手Jeff Bezos也在尝试回收飞船，他的Blue Origin飞船已经取得了成功。
如果你观察一台机器人，能够分辨哪种故障是一次性的，哪种故障是设计导致的并将引发一系列后果吗？有的时候，有些情况，所谓的故障或缺陷只是操作失误。如果我的8旋翼Parallax ELEV老是撞地，那到底是它有设计缺陷呢，还是我操作不当呢？ELEV-8是一个优秀的无人机平台，而且易于操控，专业人员可以把它玩得非常溜。
多年以前，我花了好个月的时间打造出一台重达18千克的机器人，那段时间我感到无比荣耀和快乐。我为它安装了4个Polaroid牌静电测距仪，1个68HC11处理器，1个旋转式摄像仪。通过远程电视接收器和RF链路，我就能看到机器人拍摄的画面。机器人的动力则由1个3.6千克重的密封铅酸电池提供。我清楚地记得，在第一次测试时，我刚打开电源，机器人就像疯了似地猛冲出去，一下子跃出工作台摔到地上，壮烈牺牲。它头顶上的摄像装置重重摔在水泥地上，撞成一团。电池盒也破了，胶状铅酸都被摔了出来。
你说这是因为我的设计有问题呢，还是编程水平太差呢（也就是说我是个差劲的程序员）？是不应该把机器人放在离地很高的桌面呢，还是纯粹的操作失误呢？我当时垂头丧气，觉得还是操作失误的原因吧，可能也有一点编程方面的问题。有时候，愚蠢的错误会改变你的思维方式，因此你再也不会犯同样的错误。此后我再碰到测试机器人这样的事，要么把它放在地上，要么放在有护栏的地方。
以我多年以来在研发和测试实验室的工作经验，我清楚地知道，测试不宜太多，改装不宜太过。但是，如果以局外者的身份叙述航天灾难而不清楚其技术细节，那么所谓的叙述只会沦为一篇煽情散文。
Youtube上有很多Falcon号助推器在着陆过程中缓慢跌倒的视频，而我后面将会讲到在DRC比赛中失败了的那些机器人。请注意，背景音乐风格的转换会很大。
在本文开头，我讲述了震惊世界的航天飞机灾难及其造成的人员伤亡。遗憾的是，机器人的历史同样悲惨。这并不是因为机器人生来就是危险的，而是因为人们太把机器人当“人”了，以为它们是“故意”的。
如果吊车起重臂掉下来砸到人，会被认为是一起施工事故。如果机械设备发生故障，造成工人死亡，那也只是纯粹的安全事故。不过，2016年6月里发生的一件事似乎就不同了。在德国大众机器人工厂里，有一个工人被机器人抓着撞墙，当场死亡。
事故发生时，这名工人身处机器人防护工作区。大多数有可能造成工伤的工作流程，都设计有保护开关。如果有人正在从事危险工作，这种开关可以切断电源，保护工人。那么，事故到底是怎么发生的呢？大众公司恐怕将面临远比此次事故更严重的问题。
一家印度报纸一开始曾使用图7报导大众公司的这起事件。这张图原本是Jason Torchinsky用在他网站（www.jalopnik.com）的一篇文章里的。幸好，在发表时，这家报纸（《Times of India》）一位头脑冷静的编辑用大众公司的标志替换了此图。如果当初报纸以原图发表文章，我想肯定会有读者联想起邪恶的终结者，或者（如同Jason原文里提到的）浑身刺青的C3PO机器人捅穿人类竞争者的肚子的情景。
图7 原打算于用报道大众公司机器人事故的配图
图8（新闻截图）形像不过得表现了这一场面：机器人“抓起工人往墙上砸”。
图8 标题改作“机器人杀害大众公司工人”会更好吗
一旦陷入媒体煽情的泥淖，真相就会迷失，就像大众公司的这次事故。为了报纸销量或电视收视率，媒体会不择手段地吸引受众注意力，而煽情往往很奏效。使用机器人的确是有危险的，美国职业安全与健康局（OSHA）就列出了工业机器人的7种潜在危险：
工业机器人造成的工伤事故不胜枚举，《纽约时报》在2014年就曾多次报导。《纽约时报》在报导中还列出了2001年、2006年、2011年发生在美国工厂的与机器人有关的致命事故。据英国《经济学人》报道，2005年当局正式通报的与机器人有关的事故多达77起。该报道说：“多年以来，机器人造成各种各样的工伤：压伤、撞伤、焊头焊到人、喷漆喷到人，甚至还有把铝水倒在人身上的事情。”
看到此处，读者可能会心头一紧吧。不论何时何地，跟机器人待在一起时千万小心啊。不要相信机器人。它们就要冲着我们来了，六亲不认。
2015年夏天，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）举办的机器人挑战赛（DARPA Robotics Challenge，DRC）上，有一些机器人选手出了洋相。我对媒体的幸灾乐祸感到愤愤不平。在DRC比赛中，机器人选手要模仿救援人员应对一系列灾难和事故，这包括使用各种救援工具、拧开/关上各种阀门——而这些工具和阀门原本是为方便人类操作而设计的。
为了让机器人有竞争力，参赛团队投入的资金动辄以百万美元计。这些机器人装备有最先进的感应器和执行器，软件程序有数百万行之多。打造这样的机器人，耗费的时间和精力难以估量，而像这样精巧复杂的东西，往往免不了有设计上的缺陷。
YouTube上有些视频拿比赛场上的机器人取乐，用柴可夫斯基的《1812序曲》给它们笨拙的动作配音。鉴于某些机器人的表现，我能理解视频制作者的心情。令人疑惑的是，DARPA官网上的背景音乐也是《1812序曲》。
在观看DRC比赛时，我听到观众席中有人大声惊呼：“唉呀，这可怜的东西害怕了。”原来，是MIT的Atlas机器人正在自己从北极星游侠全地形越野车（Polaris Ranger ATV）里下车，而它的动作擅抖，摇摇晃晃。
机器人当然是不会害怕的。越野车身上装着一个方便机器人进出的金属台阶，是这个台阶在机器人经过时摇晃。哪怕这种摇晃极其轻微（比如说1度），机器人脚上的感应器也会作出反应，它的腿也随之抖动。越野车原本是为人类使用而设计的，人类进出车辆时，先抬一条腿，另一条腿再跟上。这个对人类来说极其简单的动作，却是机器人遇到的极大的困难。有的机器人因为身形太大，不得不把半个身子悬在车外才能开车，如图9所示。
图9 IHMC机器人侧坐开车
KAIST HUBO是由德雷塞尔大学设计制造的机器人，很早就开始参加DRC比赛。与后辈Atlas不同，越野车的空间对它来说绰绰有余，如图10所示。你说Atlas的窘样应归咎于设计失败呢，还是DARPA没有提供更大的越野车呢？我想两者都是吧。
图10 越野车空间对于德雷克斯大学的KAIST HUBO机器人来说绰绰有余
DARPA在比赛之前就已经说明，比赛中将会使用日常生活中较常见的北极星游侠全地形越野车。但在这之前，已经有6台为比赛设计制造的Atlas机器人体形超标了。
为了更好地研究，我将YouTube上的一些DRC比赛视频进行慢动作回放，特别留意机器人“失败”的镜头。视频表明，机器人的双足设计似乎是造成其动作不稳定的主要原因。要让双足机器人自由进出、坐下、操作、驾驶，越野车得专门改造一番才行。
人类能够自由控制身体重心，自由进出车辆。但是机器人就不同了，它们得借助一个低一点的台阶才行。这个台阶是临时装上的，对于较重的机器人来说它不够稳固。
显然，双足和多足是自然界的常见形态，如果换成轮子，机器人就不是机器“人”了。人类世界的东西都以方便人类体态而设计制造，楼梯、门、车辆、工具，凡此等等，无一例外。要让机器人进行灾难救援，不得不考虑到这一点。
我们总不可能把楼房设计成倒塌时自动排成整齐的碎块，于是轮形救援机器人就能方便进出事故现场，搜救人员，清理碎渣。这不现实。我们难以预见灾难现场会是什么样，因此机器人必须有很强的灵活性，并能快速作出反应。
图11所示的参赛机器人Aero没有采用双足设计，其好处是显而易见的。摇晃颤动或者遍布碎渣的地面，对于双足机器人来说非常不利，因此Aero设计成四足。遗憾的是，它在沙地上功败垂成，如图12所示。为什么四足机器人会在沙地上侧翻呢？是四足本身就不适宜在沙地上行动，还是Aero机器人团队的设计有缺陷呢？
图11 参加DRC比赛的Aero机器人采用四足设计
图12 Aero机器人在沙地行动中遭遇困难
我想Aero机器人团队肯定已经找出失败原因，调整了机器人四条腿的位置，在软件上也作出了相应修改。读者不妨想一想，沙地有什么样的特点？其形状的变化是连续、缓慢、轻微的，这对机器人感应器来说是个不小的挑战。
我曾为本刊写过一篇iRobot公司的Roomba机器人的测评，在测试中我遇到过一个很有意思的小问题。Roomba不断弹出消息，说：“请清理刷子。”可是我发现刷子其实并不很脏，只是稍微粘了点杂物，转轴上有几根头发。为了搞清楚原因，我在它身上装了两个万用表。一个用来测试电池的输出电流，一个用来测试电池电压。然后，在把它彻底清理了一番，并用XActo刀片剔除转轴上的头发后，我让它跑了几圈。
大约一小时后，万用表显示电流轻微上升，“请清理刷子”的消息再次出现。于是我拆下刷子，清理卷进去的头发。重新装好刷子再次运行，提示消息却出现得更早了。我又满心疑惑地拆出刷子，再次清理刷子上的头发，还特地把被带到转轴上的头发也全部清理干净。每次我重装刷子，似乎它都卡得更紧了。电流在上升，但并没有新的头发卷入。这是怎么回事呢？
我又一次拆下刷子，清除原先就在里面的没卷紧的头发。这下我才发现，有一个非常小的头发卷成的小圆锥体正好擦到金属转轴，转轴一转，这个小圆锥就会把轴套推向变速箱，越转推得越紧。摩擦产生热量，把卷入的头发烤成圆锥体。把这个小东西拿出来就万事大吉了。如图13所示，尽管仍有头发，但它们不再粘成小圆锥了。我把我的发现告诉了时任iRobot公司总裁的Helen Greiner，正是她把这台Roomba寄给我的。她的工程师团队随即对刷头作了改进，让它不再缠头发，如图14所示。如今Roomba已经售出1000万台，iRobot公司则一直以来在家用机器人领域保持领先地位。不仅如此，iRobot公司还是研制军用机器人的佼佼者，Helen本人的工作重心其实在此不在彼。
图13 改进后的刷头可以防止头发卷到转轴上
图14 转轴上露出来的头发可以起到保护作用
据说这家公司如今正在剥离其安保机器人业务，把重心转到家用机器人上。据《USA Today》报道，该公司计划让安保机器人部门独立组建公司，买家将是Arlington Capital Partners。此次交易预计将耗时数月，涉及资产金额达4500万美元。即将成为新公司负责人的Sean Bielat表示，他的公司将成为美国国防部最大的地面机器人供应商。
Helen Greiner则在2008年就离开iRobot公司，独自创办CyPhyWorks——一家研发多旋翼无人机的公司。自成立以来，她的公司就受到了多家风险投资公司的追捧，其产品在全世界广受欢迎。
上述失败和故障的案例，动辄涉及成百上千美元的损失。不过对大多数读者来说，更现实的是怎样在自己制造的机器人身上避免类似的问题。除了某些格斗机器人，大多数玩家自己打造的机器人不会对人身安全造成显著伤害。但这并不意味着它们不会发生故障，而且有时候故障还很特别。
很多故障是因软件和感应器引起的。要排除这种故障往往得花费很多时间，重写代码，重新测试。
有些故障则是因机械设计或结构安装上的细小问题而引起的。比如，螺母没有拧紧，导致零件掉下来；结构件强度不够，导致不能提供有效载荷。焊接没有焊好，线头没有接紧，会导致动力或操控方面的问题。精心设计的电路板，如果不小心搞错了二极管和电容器的配极，那么就等着启动时闻焦味吧。
锂聚合物电池以其能量强劲著称，但你也肯定听说过它在夜里充着电就着起火来的故事。心爱的无人机飞着飞着就冒烟了，这也不算什么新鲜事。
任何一项技术都免不了有出故障和失败的时候，这是技术发展的必由之路，想必读者对此都有深切体会。正如Thomas Edison历尽千辛万苦发明出灯蕊后所说的名言：“我不是失败了六千次，我只是排除了六千种错误的方法。”
作为一个在复杂技术系统测试方面身经百战的人，我可以非常肯定地告诉读者，绝大多数科技产品在达到使用要求、投入市场之前，往往要耗费很多时间接受各种故障检测，产品的大多数问题也正是在这些检测中暴露出来的。
厂家总是希望投入市场的产品是“完美”的，但有时候就是在检测中漏掉的很小的细节问题，会导致产品在消费者手中出现一系列问题，甚至会引起产品召回的严重事件。
当我们庆祝科技取得成功的同时，不要忘记检视问题，这样才能取得最终的成功。而且我觉得，诸如“机器人谋杀人类”这样的新闻标题，应该换成“因违反机器人安全规程，工人在作业时意外死亡”才比较适宜（听起来有点冗长，但意义更明确）。
等到下次DARPA举办DRC比赛时——尽管不知道那会是什么时候——我们一定会看到机器人在2015年以后取得的长足进步。
避免产品失败绝不仅仅只是靠拧紧螺帽、焊准接头、压实端子以及调试程序就能做到的。从最初的设想到最终的产品，要将“避免失败”的意识贯穿到整个设计制造过程之中。
