黑客帝國？美國國防研究局給機(jī)器人建造了虛擬世界

未來一個月，在加尼福尼亞的波莫納露天廣場，五花八門的機(jī)器人將參加由美國國防高級研究計劃局(DARPA)組織的障礙賽，有24只機(jī)器人通過完成一系列的任務(wù)來超越機(jī)器人導(dǎo)航、操控和移動的極限。

在很多機(jī)器人真正踏(滾)上賽場之前，它們會先在一個高度真實的虛擬世界中熱熱身。在這個稱為“Gazebo”的3D環(huán)境中，可以在不接觸真實物體的情況下先測試機(jī)器人的硬件和軟件。既便宜又方便，還沒有損害精貴部件的危險，還允許多名研究員在一只機(jī)器人上同時進(jìn)行研究工作。

DARPA是一個為走在時代前端研究提供資金的政府機(jī)構(gòu)，這次競賽旨在鼓勵研發(fā)可以進(jìn)入極端危險環(huán)境的機(jī)器人，比如完成嚴(yán)重受損的核電站的后續(xù)執(zhí)行工作，可以像人類那樣正常的工作。機(jī)器人們在波莫納將面臨的每個任務(wù)都是模擬至關(guān)重要的修復(fù)工作，如關(guān)閉水泵、封鎖受污染了的建筑或這駕駛車輛運送設(shè)備。大部分機(jī)器人的形狀都是人形，還有一些更像是巨大的機(jī)械蜘蛛。

Gazebo是DARPA近年建造的軟件，類似許多電腦游戲中的那種3D虛擬空間，但它提供了更加真實的物理力、摩擦和照明等現(xiàn)象。機(jī)器人的傳感器也會接收現(xiàn)實中的噪音來模擬真實任務(wù)中將要面臨的問題。

“我們盡力將虛擬環(huán)境貼近現(xiàn)實，目標(biāo)是能將機(jī)器人輕松切換至虛擬環(huán)境中。”開源機(jī)器人技術(shù)基地的首席技術(shù)官Nate Koenig說，他是正在研發(fā)Gazebo的成員之一，而且做了進(jìn)十年了。

Gazebo是機(jī)器人操作系統(tǒng)的一部分，免費和開源軟件控制機(jī)器人的各個部分。因為機(jī)器人專家將編碼寫入ROS中，操作系統(tǒng)作為機(jī)器人平臺獲得了相當(dāng)大的發(fā)展勢頭，尤其是在學(xué)術(shù)界。Gazebo和ROS被用于許多其他類型硬件的研發(fā)上。一位瑞士研究員使用這一軟件開發(fā)有自動駕駛系統(tǒng)的四周飛行器。

“這是機(jī)器人民主化發(fā)展新趨勢的一部分，”參與開發(fā)DARPA比賽機(jī)器人之一的卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)研究員Pras Velagapudi表示，“以前使用機(jī)器人系統(tǒng)就意味著你自己可以解決很多問題。現(xiàn)在你必須自己創(chuàng)建硬件、自己編寫軟件來驅(qū)動硬件，還要自己建立仿真工具來進(jìn)行測試。”

一些工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在使用ROS和Gazebo，包括波士頓Rethink的機(jī)器人，編程容易、可以在簡易工作線上和工人們一起工作。該公司已經(jīng)為商業(yè)客戶開發(fā)出了自己的軟件仿真平臺，也鼓勵學(xué)術(shù)研究著使用Gazebo來測驗其第一臺叫Baxter的雙臂機(jī)器人。Rethink高級產(chǎn)品經(jīng)理 Brian Benoit說：“沒有人愿意從頭開始，要是有一間很合適的機(jī)器視覺實驗室，你就不需要擔(dān)心逆運動學(xué)。”(Inverse Kinematics 虛擬角色運動控制的一種基本方法，它根據(jù)用戶指定肢體末端的位置計算出虛擬角色各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，這里指機(jī)器人關(guān)節(jié)運動模型的數(shù)學(xué)方程。)

在高度精確的3 d環(huán)境中對處于復(fù)雜和不可預(yù)測環(huán)境中的機(jī)器人進(jìn)行執(zhí)行設(shè)計特別有用。參與DARPA挑戰(zhàn)賽的機(jī)器人將面臨變量照明和物理設(shè)施，一個失誤就很容易讓他們受損。“很多時候，尤其是機(jī)器人，通常會在抓東西的時候撞到自己。”Koenig說。

這個月將在西雅圖舉辦的大型機(jī)器人技術(shù)大會賽事上，很多隊伍也使用了Gazebo。這場比賽由亞馬遜組織，將涉及機(jī)器人從貨架上分辨和取出商品，就像亞馬遜倉庫工作人員一樣。亞馬遜已經(jīng)在其物流配送中心使用機(jī)器人來移動貨架了。而從貨架上取貨物則是更大的挑戰(zhàn)。

協(xié)助亞馬遜舉辦挑戰(zhàn)賽，負(fù)責(zé)目前仍處于保密階段的機(jī)器人啟動工作的Joe Romano說：“這很有用，任何想造機(jī)器人的人都想要一個模擬場景。Gazebo無疑是首選工具。”

即便如此，Velagapudi說Gazebo能做的還是很有限，因為我們能模型的物理世界是有限的。例如，機(jī)器人接觸物理表面的方式很難準(zhǔn)確模擬。“在我們的模型中，現(xiàn)實世界有大量的細(xì)節(jié)很難展現(xiàn)出來。”