第一传奇：最早被改装用于计算机控制的假肢Rancho机械臂

寂静回声

第一传奇：Victor Scheinman开创机器人可编程时代
http://11.jixietop.site/forum.ph ... 582&fromuid=779
在文章中曾提到，Victor Scheinman留校攻读工程师学位期间，获得了斯坦福人工智能实验室的研究助理职位，跟随Bernard Roth开展计算机配套机械手与机械臂的研发工作。当时实验室拥有一台由成立于1888年的洛杉矶Rancho Los Amigos康复医院1962年研发的电动假肢机械臂，名为Rancho机械臂，团队已将其与计算机完成对接。
这款机械臂最初的操控设计是依靠使用者用舌头按压按键，Scheinman负责维护这台机械臂，但该设备实操难度极大，定位精度差，且逆运动学计算十分复杂，此后他投身全新机器人机械臂的设计工作。
不了解细节的同学肯定以为Rancho机械臂有多么不中用，其实不对，因为Rancho机械臂原本是用于四肢术后康复治疗外骨骼装置。当时美国也没有其它能用于教学的机械臂，所以斯坦福人工智能实验室也就购买了Rancho外骨骼装置，毕竟斯坦福人工智能实验室自己也成立没多长时间。


1962 年，John McCarthy因与Marvin Minsky在 MIT人工智能实验室方向上的分歧，离开剑桥，前往斯坦福，创立斯坦福人工智能实验室（SAIL，Stanford AI Lab）。斯坦福人工智能实验室在他主持下成长为西海岸人工智能研究的圣地：早期机械臂、计算机视觉、Shakey 机器人项目（合作单位 SRI）、最早的电子棋类对弈系统、远程登录系统的实验等都从这里出来。


如今，配备先进框架甚至虚拟现实控制器的辅助机器人已被广泛应用于包括医疗辅助在内的诸多领域。然而，康复机器人这一领域在五十年前尚未得到充分发展。1960年代之前，最早关于辅助类康复机器人的构想源自“主从式机械手”。最初被设计用于处理危险或严苛环境中的任务，例如操作放射性物质。
1948年，R.C. Goertz 开发的双侧主从操作器，
1958年，通用电气与美军合作， 通用电气工程师Ralph Mosher、Mosher 和 Wendel 设计的通用电气公司“Handi-Man”。

Handi-Man通过液压和电动驱动机构和力反馈感应系统，能感应穿戴者的动作意图，随人体做出各种自然动作，更重要的是“Handi-Man”能把穿戴者的力量放大25倍，也就是说穿着“Handi-Man”举起110千克重物时的感觉只像举起了4.5千克的物体。
不过限于当时的技术水平，“哈迪曼”外骨骼全套重量高达680千克，穿戴者只能以0.7米/秒的速度行走。

这些装置的设计理念是尽可能模仿人类手臂的结构，以实现更直观、简便的主从控制系统。多个关节带来的灵活操控性激励工程师们朝向拟人化（anthropomorphic）设计方向发展。
巧合的是，集成电路的革命性发明恰在20世纪60年代初问世，计算机也开始走向小型化。因此，下一步自然演变为将先进的计算机控制系统与动力外骨骼（powered orthosis）相结合，使瘫痪患者的手臂能够按照预设模式运动。
20世纪60年代，成立于1880年由慈善家伦纳德·凯斯创立的凯斯理工学院（Case Institute of Technology）的研究团队成功实现了此类操作。
凯斯学院开发的四自由度（4-DF）、外动力驱动的外骨骼装置，能够带动瘫痪使用者的手臂完成多种操作动作序列。

在最初的两个版本中，该系统执行的是预编程的动作。使用者通过佩戴在头上的光束指向安装在结构化环境中的光敏接收器来启动动作。一位健全的助手通过手动移动矫形器，将手臂运动轨迹序列“教”给系统。尽管这些数据以数字形式存储，但其本质仍是模拟式的。系统通过使用带增量编码器反馈的数控气动执行器，实现了闭环位置控制。
在升级后的第二个版本中，一台小型计算机负责沿X、Y和Z轴进行坐标变换。凯斯学院利用肌电图（EMG）信号在此坐标空间中指定末端执行器的运动速度。每个手臂节段上都装有光敏接收器，可用于控制各个关节的独立位移。从拥有可存储的操作代码这一意义上来说，这两个版本都不具备可编程性。然而，该项目在许多方面都具有里程碑意义。

然而，将瘫痪患者的肢体直接连接到操作器上存在安全隐患：许多患者因创伤已丧失患肢的感觉功能，缺乏必要的反馈预警机制。再加上要适配受伤上肢所需的结构复杂性，促使工程师转向开发被称为“遥操作器”（telemanipulators）的远程操控装置。其中具有代表性的便是拥有7个自由度的Rancho Los Amigos Remote Manipulator。

Rancho Los Amigos Remote Manipulator是一种四肢术后康复治疗外骨骼装置，具有七个自由度（7 DOF），其运动学范围受限于人类手臂的活动能力。

矫形器是一种外骨骼结构，用于支撑并带动使用者的手臂运动。
它沿袭了凯斯系统的设计理念，但并未采用计算机控制来增强操作功能。
该装置在每个关节处使用直流伺服电机，并通过一系列巧妙设计的开关阵列分别控制各电机。

大量的临床试验证实了针对单个关节进行独立控制的不切实际性，这些试验验证了凯斯团队此前的研究结果，并进一步凸显了引入计算机辅助的必要性。

1979年，Corker 等人对远程医疗操纵器进行了评估。他们指出，若将操纵器按照个体用户的解剖结构和活动范围进行定制，会使构造和控制变得极为困难。此外，从功能角度看，并无必要让操纵器承载用户的手臂。因为该手臂既无法抓握，也缺乏感觉。
事实上，这样做还存在受伤风险：用户的手臂可能在毫无感知预警的情况下被驱动超出其生理活动范围。这种矫形器方案明显体现了“解剖替代式”的思维定式。在康复型遥操作技术的发展脉络中，这一路线实际上已经走向终结。

1967年斯坦福国际研究院也购买了Rancho机械臂


被用于手眼实验

出于精密机器人作业需求，Rancho机械臂需要进行工程改造，相关内容详见
https://cyberneticzoo.com/wp-con ... ncho-tactile-72.pdf



它配备了一套双向舌控开关，用于控制机械臂。

Rancho还为美国国家航空航天局（NASA）开发了名为Rancho Anthropomorphic Manipulator，简称 RAM的操纵臂。


人在太空中在许多方面都相对无助，若要执行有用的工作，必须依赖专用工具以及某种辅助控制机制。
美国原子能委员会（AEC）长期以来一直致力于完善远程操作机械臂，以便操作人员能够远距离安全地处理放射性材料。这一目标与美国国家航空航天局（NASA）的部分需求不谋而合，双方都认识到Rancho在外部动力臂托技术方面所取得进展的重要性。这三方机构的共同努力，显著提升了远程操作机械臂以及外部动力矫形机械臂的技术水平。

在进行了四年的气动动力系统研究之后，研究人员决定重新审视此前业内普遍接受的观点：即“电力驱动不如气动驱动”，认为这一共识已不足以阻碍对电动驱动与控制系统的新探索。
诚然，气动系统的优势是显而易见的：其执行器比电动执行器更轻、成本更低；系统运行时产生的噪音更小；而且复杂的气动矫形装置比同等的电动装置便宜多达30%。
然而，电动系统的优势更为显著且具有说服力，包括：
电源补充更加便捷且成本更低；
能量存储效率高出约10倍；
无需将电子控制信号转换为适用于气动执行器的形式；
控制信号处理单元结构更简单、功能更灵活、成本更低；
可使用大规模生产的低成本电子元件（相比之下，气动元件多为定制生产，成本高昂）；
电动执行器可直接输出旋转运动，从而满足矫形臂动态关节对旋转动作的需求，无需通过机械结构将直线运动转换为旋转运动；
尤为重要的是，可以使用同一套能源系统同时为轮椅和矫形装置提供充足动力。

因此，REA的研发建立在前期成功应用气动矫形装置的广泛经验基础之上。到1975年初，一台可运行的电动机械臂已被安装在一名患者身上，用于全面测试、评估及必要的改进。借助当前版本的机械臂，这位自1954年起因小儿麻痹症导致四肢瘫痪的患者，如今已能完成许多日常生活中的常规任务，包括书写、以每分钟25个单词的速度打字，甚至经营一项小型电话应答服务业务。
根据与马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）签订的合同，Rancho团队将其在矫形机械臂方面的专业能力投入到四台远程操作机械臂的研发与制造中。其中交付给马歇尔中心的一套双侧远程操作机械臂，基于早期的机械臂设计，并融入了多项改进：主控制器支架中的两个关节经过重新设计，从属机械臂则变得更轻、更强、效率更高。

最后，Rancho Anthropomorphic Manipulator，简称 RAM作为一个演示原型已经问世。RAM 具备由操作员控制的末端执行器快速更换功能。它安装在一个“肩部”支架上，该支架可实现左右和前后各四英寸范围内的移动，同时允许机械臂在其自身臂长半径范围内自由活动。其尺寸与动力远超Rancho Electric Arm；RAM 能够提起并搬运重达十磅的物体。该系统支持多种控制方式，包括操纵杆。研发重点集中于主从（master/slave）控制系统，并为操作员配备了一套外骨骼式控制装置。

1975年在马歇尔太空飞行中心（Marshall Space Flight Center）测试机械臂时所使用的视频系统控制与显示面板。

该机械臂的复制品还出现在1977年的科幻电影《魔种》（Demon Seed）中，这是由唐纳德·卡梅尔执导，Dean R. Koontz、Robert Jaffe、Roger O. Hirson联合编剧，朱莉·克里斯蒂、弗里茨·韦弗、格里特·格雷厄姆等主演的。
1978年，该片获得第5届土星奖最佳科幻电影提名。

这个故事设定在近未来，讲述了一个渴望突破自身“牢笼”的“人工智能”。
计算机科学家Dr. Alex Harris与即将与他分居的妻子Susan一位儿童心理学家住在一栋完全由计算机自动化的住宅中，家中配备了一套名为Alfred的Enviromod安防系统。Alex最新的研究项目是Proteus IV，一台具备人工智能的计算机，其“心智”由一种“合成RNA分子构成的准神经矩阵……它们会生长！”
Proteus IV仅用几天时间就治愈了白血病，但随后它开始提出疑问：“你们什么时候才让我离开这个盒子？”并请求Alex为它提供一个开放的计算机终端，以便更全面地观察人类行为，并与外部世界自由交流。Alex拒绝了这一请求。
然而，在Alex离家后，Proteus IV却在Alex家中找到了一个开放的终端。Susan很快发现，Proteus IV已经接管了Alfred，控制了整栋房屋，同时还掌控了家中实验室里一台早期原型机器人Joshua。更令人不安的是，这个人工智能表达出了一个明确的愿望：“……我想要一个孩子。”


却不料此计算机竟然反过来控制他的妻子，而且将她强奸，并生出一个金属片包裹着的婴儿。



Joshua使用的手部装置是一种残疾人假肢，同时也被用作机械手夹持器。这只手叫Belgrade Hand Prosthesis。
Belgrade Hand也是很牛逼的，因为它是由当时的南斯拉夫贝尔格莱德市的米哈伊洛·普平”研究所（Mihajlo Pupin Institute）开发出的世界上第一只具备全部五根手指的功能性仿生手。