摘要：本文針對當前先進機器人的問題，分析了雙足人形機器人阿特拉斯(Atlas)的控制系統結構及設計理念。根據阿特拉斯的結構和理念，分析了的阿特拉斯的能力以及其對未來戰爭的影響。
---------本文轉自《機器人控制理論與技術》課程論文
一. 引言
機器人是人們對科技不斷的發展而出現的產物，在未來時代里機器人能夠代替多數人類的工作，也能夠進行多種高危工作，目前世界上涌現出了很多先進的機器人。比如，人力支援機器人：主要用于幫助長期臥床的病人取房間中的物品；EKSO仿生機器人：這是一種能夠模仿人體骨骼和人體動力學設計的機器人；仿四足動物機器人LS3 quadruped：可以攜帶181公斤的貨物行走32公里，同時會根據GPS進行定位；仿真人制作的機器人HRP-4C：其體型酷似青年女性，能夠識別面孔、語言和聲音，同時能夠很好的模仿人類的表情還具備跳舞功能；外形像海豹的機器人Paro：其身體共加了五種傳感器，分別用來的聲音、光、觸覺、姿勢、溫度進行感應，Paro機器人主要用來治療心理疾病患者；FACE：模仿人類十多種表情，逼真度達到了95%；Morpheus：完全是由大腦思維進行控制的機器人；Atlas：DARPA公司推出的最先進的機器人，具備光線檢測、距離檢測、以及聲音傳感等功能；Asimo：可以作為個人助理的機器人，Asimo通過控制器或計算機來運行，可以感知到聲音、姿勢甚至臉部表情，然后相應的做出回應。
2013年7月12日，高科技武器開發商美國波斯頓動力公司把一款剛剛制造成功的人形戰地機器人呈送給美國軍方“檢視”。這款名為阿特拉斯的人形戰地機器人到達軍營后，展現出超強的戰斗力，即獲美國軍方大加的肯定.
阿特拉斯的設計與生產是由DARPA，美國國防部的一個機構負責監督與波斯頓動力公司合作。機器人的一只手由Sandia國家實驗室開發的，而另一只是由iRobot公司開發的。
阿特拉斯機器人是基于波斯頓動力公司早期的PETMAN人形機器人，它有四個液壓驅動的四肢，它的手具有精細動作技能的能力。阿特拉斯機器人可以在崎嶇的地形行走和攀登獨立使用其胳膊和腿。
波斯頓動力公司發布的最新視頻展示了其功能，比如在傳送帶上大步前進，跑樓梯，單腿站立。因此，本文將圍繞阿特拉斯的機械結構和能力進行討論，以了解目前世界上最先進的人形機器人及其對未來戰爭的影響。
二. 阿特拉斯機器人簡單描述
阿特拉斯有四個液壓驅動的四肢，阿特拉斯機器人由航空級鋁和鈦建造，身高約6英尺（1.9m）高，重達330磅（150公斤），藍光LED照明，由頭部、軀干和四肢組成，像人類一樣用雙腿直立行走。阿特拉斯機器人配備了兩個視覺系統（兩個立體感應器采用感覺算法），一個激光測距儀（激光雷達）和一個立體照相機，配有一臺實時計算機，以實現實時遠程控制。有2只靈巧的手，它的手具有精細動作技能的能力，并且可以換裝不同功能的機械手。它的四肢具有28度的自由度。機身上包含28個閉環控制位置與力量的液壓驅動關節以及各式各樣的傳感器、液壓泵和熱管理系統。采用軟路由應用程序編程接口，可接入10Gbps的光纖以太網。阿特拉斯機器人可以在崎嶇的地形行走和攀登獨立使用其胳膊和腿。
此外，波斯頓動力公司還將為其開發出應用軟件，以實現“阿特拉斯”在遠程操控下獨立行動。操作者將通過操作軟件和控制器控制機器人的傳感器、關節和四肢，實現“阿特拉斯”在災難的惡劣環境中也能行動自如，比如能開門、爬樓梯、躲避掉落的瓦礫等，小到能使用螺絲刀，大到能操控救火車，并希望新手不經訓也能輕松使用這種機器人。
為什么說它是世界上最先進的機器人，大家可能都見過日本本田公司研制的“阿西莫”機器人，“阿西莫”雖然外形漂亮還擁有驚人的行走形態與上下樓時的平衡能力，但是它只能在有限的地形環境下進行正常行走和活動。
而阿特拉斯就不一樣了，他完全安照人形基礎來設計打造的，從而常規形態和運動形態都是模仿人類行為，并且這部機器可以非常熟練的行走、爬樓梯、上跳下跳。而這還不是最厲害的，它還可以在行進間受到物體撞擊時保持平衡，智能躲避障礙物與異物，跨越攀爬坑洞。除了長得還不大像人，其他行為方面已經達到了爐火純青的地步了。
三. 阿特拉斯的控制系統結構與設計理念
機器人阿特拉斯是一款雙足人形機器人，從外形上看，阿特拉斯的頭部、軀干、四肢的組成皆與人體相似，模樣勇猛威武，像個壯漢一般。勇猛威武的阿特拉斯除了身體強壯外，其身手也不同凡響，它像真人一樣用雙腿直立行走，健步如飛。
1.阿特拉斯的結構分析
阿特拉斯的外形與人形相似，我們就根據頭部、軀干、四肢的組成來分析其控制系統。
（1）頭部
如圖1.3所示，阿特拉斯具有復雜的頭部，裝備了立體攝像機和激光測距儀等傳感器，還有兩個視覺系統（兩個立體傳感器采用感覺算法）。
立體攝像機：涉及三維攝/成像技術。人看物體之所以是三維的，是因為人有兩個眼睛，并且兩眼有一定的間距，物體在兩眼視網膜上產生兩幅有細微差別的圖象，經人腦處理后合成為一幅三維圖象。攝像機具有兩個間距約為人眼間距的鏡頭，在拍攝時分別記錄下由于間距產生的兩幅有細微差別的圖象，模擬人眼。經過計算機合成后也就成為三維圖象。三維成像技術尚未成熟，只有一些概念顯示器，比如圓球形的顯示器。現在三維電影院都是利用的是三維眼鏡，原理就是利用光的不同偏振角度，讓兩個鏡片透過不同的光，將兩幅有細微差別的圖象分別投射到人眼中，給人以三維感，其實就是在欺騙人的眼睛和大腦。
立體攝像機用來捕捉機器人所處的外界情況，檢測出前面的物體，采用感覺算法，識別物體運動和方向。
激光測距儀：是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器。激光測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離。激光測距儀廣泛應用于室內室外測量領域。手持激光測距儀精度高，測量距離短適合短程高精度測量。望遠鏡激光測距儀適合遠程測量，精度低一些。手持激光測距儀第一品牌是德國徠卡，望遠鏡測距儀第一品牌是美國圖雅得。手持測距儀領域歐洲領先，軍工測距儀方面美國領先，中國產品處于低端。
若激光是連續發射的，測程可達40公里左右，并可晝夜進行作業。若激光是脈沖發射的，一般絕對精度較低，但用于遠距離測量，可以達到很好的相對精度。在阿特拉斯人形機器人上使用的是連續發射的激光測距儀，保證了阿特拉斯不僅可以在晝夜工作，而且可以快速測量出所遇到的障礙物及其距離。
激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準確，其誤差僅為其它光學測距儀的五分之一到數百分之一，因而被廣泛用于地形測量，戰場測量，坦克，飛機，艦艇和火炮對目標的測距，測量云層、飛機、導彈以及人造衛星的高度等。它是提高高坦克、飛機、艦艇和火炮精度的重要技術裝備。阿特拉斯使用了激光測距儀提高了它在未來戰爭以及危險援救中所發揮的作用。
（2）軀干
如圖1.4所示，阿特拉斯機身上包含28個閉環控制位置與力量的液壓驅動關節以及各式各樣的傳感器、液壓泵和熱管理系統。
28個閉環控制位置，采用閉環控制，精確控制機器人運動的方向和位置，提高了機器人的智能程度，以適應各種情況下的運動。
在阿特拉斯的胸前，安裝了藍光LED照明設備，為機器人行走提供照明，也可以作為運行的指示燈。
液壓泵：阿特拉斯行走與人類極其相似，人的運動主要依靠骨骼、肌肉、神經系統等作為支撐，阿特拉斯需要行走就必須要某種方式驅動它的各個運動，在阿特拉斯上使用的是液壓驅動的方式來驅動機器人的各個關節運動。
熱管理系統：熱管理系統研發的關鍵技術之一是熱管理系統與發動機運行的匹配技術以及系統優化控制策略的選擇問題。熱管理系統效率很大程度上依賴于系統優化控制策略，控制對象包括水泵轉速、電控節溫器閥門開度以及冷卻風扇轉速等?？梢愿鶕l動機實際工作和試驗情況，依據系統優化原則來制定智能化電控熱管理系統控制策略，使發動機在不同工況下均工作在最佳溫度范圍。機器人具備了熱管理系統，就可以很好地管理機器人各個部分的溫度。
阿特拉斯配有一臺實時計算機，波斯頓動力公司為其開發出應用軟件，以實現實時遠程控制，讓“阿特拉斯”能夠實現遠程獨立行動。
（3）四肢
阿特拉斯和人類一樣，有髖關節、膝關節和足關節。機器人中的關節一般用“自由度”來表示，一個自由度可以表示一個運動可以向上、向下、向左或向右。阿特拉斯有28個自由度，為了方便阿特拉斯運動自由度的描述，建立了一個參考坐標系，其x指向它的前方，y指向它的左側，z指向它的上方，如圖1.5所示。
手臂：
阿特拉斯機器人有2只靈巧的手，由液壓裝置驅動，具有28度的自由度，它的手具有精細動作技能的能力，并且可以換裝不同功能的機械手。手臂可以沿著不同的方向旋轉，靈活度非常好，小到抓起螺絲刀，大到能操控救火車。
雙腳：
① 雙腿可以像人類一樣直立行走，而且可以單腿站立。雙腿行走由液壓驅動，雙腿也有28度的自由度。由于可以連續靈活行走，阿特拉斯能夠在任何時間快速而順暢的移動和行走。
② 阿特拉斯除了改變腳的位置和轉向外，也可以自如的改變步幅。可以向多個方向行走，移動自然。
③ 步態控制 如果阿特拉斯機器人失去平衡有可能跌倒，以下三個控制系統將起作用，以防止跌倒，并繼續保持行走的狀態。
a. 地面反作用力控制：腳底要適應地面的不平整，同時還要穩定的站住。 b. 目標ZMP控制：當由于種種原因，阿特拉斯無法站立時，需要控制它的上肢反向運動來控制即將產生的摔跤，同時還要加快步速來平衡身體。 c. 落腳點控制：當目標ZMP控制被激活的時候，阿特拉斯需要調節每步的間距來滿足當時身體的位置，速度和步長之間的關系。
（4）電源
阿特拉斯整臺機器通過連接電纜由外部電源供電。
2. 阿特拉斯控制系統結構
根據前面對阿特拉斯的各個部分的分析，總結出阿特拉斯的控制系統結構圖如圖1.9所示，阿特拉斯的各個部分由本身所帶的實時計算機所控制，以保證阿特拉斯的運動協調，實現各種功能。
3. 阿特拉斯的功能展示
在網上的最新視頻展示了“阿特拉斯”的能力。它在傳送帶上大步前進，躲開傳送帶上突然出現的木板；從高處跳下穩穩落地，兩腿分開從陷阱兩邊走過，然后跑上樓梯；單腿站立，被從側面而來的球重撞而不倒。
美國國防部高級研究項目局項目經理吉爾·普拉特說，該機構希望“阿特拉斯”在災難的惡劣環境中也能行動自如，比如能開門、爬樓梯和移動等，也希望它能使用從螺絲刀到救火車之類的工具。
能力超強：能單腿站立，從側面飛來的球撞不倒。
由于“阿特拉斯”能像人類一樣用雙腿直立行走，故分類為人形機器人，令人聯想起科幻電影中的“終結者”。
四. 未來戰場的阿特拉斯會叛變嗎
未來戰爭中，自動機器人士兵將成為作戰的絕對主力。但美國海軍研究室在關于機器人士兵的研究報告《自動機器人的危險、道德以及設計》中，對軍方使用機器人提出警告，建議為軍事機器人提前設定嚴格的設計和使用“緊箍咒”，否則整個世界都有可能毀于他們的鋼鐵之手。
報告指出，現今美國的軍事機器人設計師往往急于求成，常常會將還不成熟的機器人技術急匆匆推入市場，促使人工智能的進步在不受控制的領域內不斷加速發展。更糟糕的是，還沒有一套控制自動系統出錯的有效措施。如果設計出現錯誤，足以讓全人類付出生命的代價。
以往戰地機器人多屬于“專項技能”非人型機器人，比如像汽車模型的“赫爾墨斯”的機器人主要用于探穴鉆洞；像方盒的“背包”機器人則專在巷戰中捕捉、分辨對方狙擊手的細微動作；有款叫“仿生蒼蠅”的機器人則是用來做戰地手術的。
美國國會曾通過法案規定：到2015年前，1/3的地面戰斗將使用機器人士兵。為此美國投入了歷史上最大的單筆軍備研究費1270億美元，以完成未來戰場上士兵必須完成的一切戰斗任務，包括進攻、防護、尋找目標。據悉，美軍未來一個旅級作戰單元，將至少包括151個機器人戰士。
“兵變”的后果是比較嚴重的。機器人士兵會“叛變嗎？2008年，美軍將3臺帶有武器的“劍”式作戰機器人部署到了伊拉克，想驗證一下戰地機器人的 “作 戰效果”，但這三臺機器人還沒有放過一槍就很快被從戰場撤了下來，原來是發 生了很可怕的事情：戰地機器人把槍口對準了美軍的人類指揮官.
戰地機器人的“叛變”原因有兩條：一是機器人裝有的“作戰程序”本身會 出現錯誤，從而導致機器人不會按原有的既定程序“打擊敵人”，反會“傷害自己人 ”。二是機器人的“作戰程序”會受敵國“機器人病毒”的入侵，從而導致程序變異，這會讓戰地機器人成為被敵國控制的“機器”，讓其具有了叛變性 質。鑒于戰地機器人有“叛變”的必然性，所以美國機器人戰爭倫理研究所提出忠告：戰地機器人設計太急于求成，常常將還不成熟的機器人技術推入市場 ， 促使人工智能的進步在不受控制的領域內不斷加速發展 。更糟糕的是，目前還沒有一套控制自動系統出錯或是完全隔離電腦病毒的有效措施，如果預裝的程序出現錯誤，整個世界都有可能毀于戰地機器人之手。
五. 總結
本文針對最先進的人形機器人特拉斯，分析了阿特拉斯的控制結構系統和設計理念，阿特拉斯使用了各種先進的技術，像立體攝像機、激光測距儀、采用各種傳感器等，稱他為世界最先進人形機器人當之無愧。同時分析介紹了阿特拉斯所具有的各種功能，阿特拉斯可以用于援救等方面，但是這是美國軍方開發的一款戰地機器人，美國國會法案規定，到2015年前，三分之一的地面戰斗將使用機器人士兵。阿特拉斯是美軍研發的最先進的戰地機器人，因此，在未來阿特拉斯將會被美軍投入到戰爭中使用，阿特拉斯在未來戰爭中將發揮巨大作用，它將對未來戰爭產生巨大影響，其中有些好的方面，也有不好的方面，因此，人類應該理性使用機器人投入戰場。
