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认识协作机器人——让协作机器人具有人形

与人类相比,Baxter更宽,但高度差不多,具有光滑的红色外表和长而有力的手臂。它的脸部是一个平面屏幕,有一双卡通化的眼睛,毫无表情地直视中景位置。


但是这双眼睛会突然间看向屋里的某个事物,然后,一条手臂会随着关节和电机的嘎嘎作响伸向物体。


数十年前,机器人就已经成为生产线上的一部分,但出于安全考虑,过去它们一直与人类隔离开来——无论是装在实体笼子内,或是放置在具有安全切换功能的隐形围栏后。


事故仍然存在。在美国,自从1979年以来,机器人已经造成了33人死亡。2015年6月,在德国法兰克福北部的大众车厂,一名22岁的工人在组装时,一个机器人毫无预警地移动过去并将他压死在一个金属板上。


Baxter的卡通眼睛可能听起来只是个蒙人的小花招,但实际上这是为了避免悲剧事故。机器人是新一代协作技术的一部分,能够打破人类和机器之间的界墙。


与传统制造机器人相比,这些‘协作机器人’成本更低、体积更小、也更多样性。它们能够帮助人类工人举起重物,或者完成工作中单调重复的无聊部分,例如:从传送带上拿起物体,或者将物体放进盒子里。对其进行设置时,在几小时之内就能够完成,而不需要耗时几周的专业编程,并能够在数分钟之内切换任务。工人可根据需要,通过移动机器人的手臂教它们学习新技巧。


“它们实际上是具有手臂的个人电脑,”Rethink Robotics公司产品与市场主管吉姆•劳顿(Jim Lawton)说,该公司是Baxter及其单臂兄弟Sawyer的制造者。


阿尔布雷希特•赫内(Albrecht Hoene)也对初期个人计算进行了推断,他是德国库卡公司(KUKA)人机协作部门的主管,该公司是LBR iiwa协作机器人的制造者。“这并非是一种替代,而是一种支持,”他说。


目前,协作机器人的市场还很小,2015年,仅占已出售的240,000个制造机器人中的5%,平均价格仅为24,000美元,预计在接下来的数年内,将在较小的公司迅速增长——这些公司缺少传统机器人所需的资金和编程专业知识,或者希望以批量产品价格生产定制化产品。


分析人士认为,接下来五年内,协作机器人的市场将增长40%,至2020年可达到30亿英镑,并将由工厂转至在公共场所和家庭内提供支持和帮助。不过,首先,研究者和机器人制造者需要使机器人更安全、更完善、更灵活。为了实现这一目标,他们需要使机器人更接近人类。

 


建立信任

 


在匈牙利的奥迪工厂,生产线终端有两个机器人相互协作,当完成的车辆滚动经过时,对其进行测量。工人给它们取了两个昵称:亚当和夏娃。


在比利时,有一台协作机器人被按照其操作人员的名字而命名为Little Geert,而在其他工厂,协作机器人的外表颜色采用了当地体育团队的主色调。福特公布了一段视频,展示了一台协作机器人在中间休息过程中给自己倒了一杯咖啡并加入到团队中。


这种行为并不罕见。首先,需要有一个调整期,但人类将很快开始信任他们的机器人同事。制造者致力于创建一种宜人的工作关系,这也是为什么Baxter具有一张能展示多种情绪的脸。例如:当它无法完成一项任务,需要人类帮助时,它会显示出困惑的表情。


而且,并不仅限于此。“我们提出了‘预期人工智能’的设计概念,”劳顿说。如果Baxter或Sawyer需要向一个物体移动其一条手臂,它们将像人类一样,看向前方。工人知道它们要做什么,从而建立信任。“如果我忽然毫无预警地以不友好的方式移动我的手臂,这将会带来惊吓。而如果不向机器人输入此类特征,机器人将可能会出现这种情形,”他指出。


对于没有脸部的机器人,建立信任更是难上加难。库卡公司采用不同颜色的LED灯实现这一目的,而在亚利桑那州立大学(Arizona State University),助理教授亨利•本•阿莫(Heni Ben Amor)则尝试使机器人根据周围环境直接表达其意图。


他的实验室创建了一种增强现实技术,机器人利用一个投影仪突出显示它要接触的物体,或者展示它要行走的路线。“环境成为机器人与人类伙伴交流其意向的一块画布,”阿莫说。


机器人的移动方式也很重要。库卡的机器人手臂移动时并不是迅速或容易吓到人的,虽然其‘肘部’能够旋转180度,但一般情况下,其移动范围限定在人类手臂能够实现的范围内。“当然,它们能做的更多,”赫内说,“但我们应该考虑人类的预期。”这种技术正在工厂中建立人类和机器之间的信任。但这也只是漫长学习曲线中的一个开始。


 

举手击掌和握手

 


在帝国理工学院(Imperial College)位于伦敦、充满汗水和焊料味道的实验室内,Petar Kormushev和他的学生正在让机器人DE NIRO发挥其本领。这台协作机器人缺少好莱坞电影中其同行所展示的情绪,但很快它就开始学习与人类进行互动。


DE NIRO(设计工程自然交互机器人(Design Engineering’s Natural Interaction Robot))由安装在一个轮式平台上的Baxter装置构成。做出了其他几项修改,包括红外传感器、能够升降的躯干、以及一顶闪闪发光的红帽子。


这台机器人已经学会多种任务,包括帮助人类搬桌子、用曲棍击打冰球,并能够完成buzz-wire任务,完成buzz-wire时,它需要在不触碰周边的情况下曲折穿过一个线圈。


在第一项任务中,DE NIRO抬起一块木板的一端,而我抬起另一端,并根据力传感器对我的移动做出回应。如果我向后推动桌子,机器人将后退,如果我将桌子拉向自己,机器人也随之移动。


教会机器人理解这种物理相互作用是一件复杂的事情,尤其是希望将它们已经学会的技能用于其他任务时。“需要具有能够将通用人工智能普及应用的算法。”Kormushev说。


可以利用模拟器加速这种学习过程,不过,在帝国理工学院,人们更喜欢利用现实世界经验教导机器人。将协作机器人联系在一起,是加速学习过程的另一种方法。百万物品挑战项目(Million Object Challenge)已经开始在全世界利用Baxter装置建立有关如何抓取和使用不同物品的共享数据库。


“这些机器人将开始从自身的经验中学习,”劳顿说,“它们将在云端共享信息,从而使其他机器人也能够通过此种经验学习,共同进步。”


在亚利桑那州立大学,阿莫正在研究能够通过观察两个人类互动而学习的机器人——它们配备有移动跟踪Xbox Kinect摄像头。在加利福尼亚大学(University of California)洛杉矶校区的类似工作中,研究者们教导Baxter在握手、举手击掌和其他任务中,根据其人类伙伴的微小身体位置移动做出反应。身体语言中含有微妙的线索提示,这种线索因为文化和个人的不同而不同,而机器人需要掌握这些线索。“机器人需要学习人类伙伴的个人偏好。”阿莫说。


未来发展令人鼓舞。例如:Rethink Robotics公司已经在研究私人助理Amazon Echo的语音识别能力。根据劳顿的介绍,下一代协作机器人将能够利用其摄像头识别不同的人,甚至探知人类的情绪。


人工智能和机器学习将使得机器人能够做出自己的决定。“分析学将能够使机器人学习人类无法学到的事物,”劳顿说。


这种发展将使协作机器人走出工厂。随着协作机器人变得更智能、更廉价、更接近人类,它们将能够用于从快餐店食物准备到为老年人和残疾人提供帮助等各个方面。“我认为,毫无疑问,在相对较短的时间内,协作机器人将出现在世界的各个制造角落里,”劳顿说,“此外,假以时日,协作机器人将走进我们的家庭。”

 


变化之手——协作机器人看世界

 

 

像人类一样,协作机器人需要感知周围的世界并与之互动。加拿大公司Robotiq制造了一系列‘末端效应器’,将其安装在机器人的手臂上,使机器人实现这种行为。这些都是可以按要求定制的,不过多数机器人手臂都具有三个主要组件。首先是机械爪,也就是用于进行制造操作的机械手。有些公司将其制造为具有五个手指,但多数机器人有两根或三根手指。


其次是腕式摄像头,使机器人能够识别其工作区域内的物体。最后一个是力传感器,使机器人能够感知,从而探测拟抓取的物体。在某些协作机器人中,由于可能会与人类工人发生碰撞,因此手臂上具有一层软垫。


在未来,研究工作将努力提高人类和机器人之间的信任,使协作机器人拥有与人类一样的柔软皮肤。

 

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