未来机器人是什么样的?它可以帮人类做什么?

意念打字、快递狗、骑行行李箱……2019世界机器人大会上700多个黑科技,创意突破你的想象!运用机器学习技术,中国乒乓球学院开发了一个陪练机器人,三球以后没有人可以赢它!机器人有巨大的应用前景,也能突破人类极限,那么这样的机器人是如何制造的,它还有哪些意想不到的用处的呢?

出品:"SELF格致论道讲坛"公众号(ID:SELFtalks)

以下内容为中科新松有限公司杨砾演讲实录:

解读“机器人”

今天跟大家分享的是“机器人,人类的亲密伙伴”,为什么要讲这个题目呢?有很多人一直在问我们:“机器人在很多科幻片里扮演的角色都是人类的终结者,机器人未来到底是人类的伙伴还是人类的敌人?”

人们为什么对机器人这么紧张呢?机器人不用睡觉,不用担心衰老。机器人不用吃饭,省出了很多时间。更重要的一点是,机器人不用上学。

随着5G、6G等新技术的出现,所有的知识到它的大脑里可能只需几秒钟。未来将机器人组网以后,新的技术可以在瞬间得到共享,那就更加“吓人”了。

那么,机器人到底是敌人还是朋友?在我看来机器人永远是我们的亲密伙伴。

6轴机器人

提到机器人,一部分人大脑里的图像也许是这样,在机器人学术圈里它叫“6轴机器人”。

点焊机器人

6轴机器人主要用于工业场景,上图是它的典型应用场景——汽车厂。这是点焊机器人,我们通过点焊把钢铁连接在一起变成车身,涂装完成以后送到我们身边。

智能机器人

提到机器人,还有很多人大脑里出现的场景是这样的,很多科幻片里也有这样的场景,我们将这种机器人称为智能机器人。机器人的发展是从工业机器人不断向智能机器人演进的过程,所以未来我们的重要机器人伙伴都是这种智能机器人。

谈到机器人不得不提它的英文名——Robot。其实,Robot这个词是1920年捷克作家卡雷尔·恰佩克创造的,在波兰语里的意思是“工人”,在捷克语里是“劳役和苦工”的意思。

通过Robot一词的定义可以看出,那个时候,人类就是在寻求一款能够像奴隶一样完成固定工作的产品,能够把人从劳动场景中解放出来。Robot一词所代表的人类诉求,在相当长的时间里引导了机器人的研发路线。

我们的中文博大精深,我认为机器人这个词远远好于Robot。该怎么理解“机器人”呢?我们可以把它解读成“机器化的人”,这个时候它就不再是冷冰冰的产品,而是相当于一个物种,正因为它是物种,所以才会进一步讨论它跟人之间的关系。

千百年前的智慧机器人

很多人认为机器人是近期出现的产品,恰恰不是,千百年前已经有很多机器人的雏形。

为什么会有机器人产品的出现呢?这跟人类的需求有关。可能每个人都有这样一个梦想,创造一个自己的替身或分身。

正是因为这一点,机器人产品一定会出现,也正是因为这一点,机器人的研发一定会持续下去。

比较遥远的存续于《史记》中的两款机器人产品,一个是西周的偃师造人,一个是春秋的鲁班木鸟。

偃师造人是一个典故,偃师为大王展示他制造的机器人,这个机器人能歌善舞,还对王妃抛媚眼,差一点就被肢解了。

木鸟则是模拟鸟的结构,能够飞翔。存在于典籍中的故事,证明古代有很多能工巧匠曾制造出非常奇特的产品。

我们在地理书、自然科学的书籍中也会看到很多存续的产品,例如地动仪、指南车、记里鼓车。

它们都是非常精巧的装备,能够完成具体的工作。尤其是指南车,以前我们看到的古代的指南针经常是指北,只有这款指南车是指南。

在《三国演义》里诸葛亮研究了一种产品——木牛流马,这是他和曹操进行对战时非常重要的装备。

机器人原型机只存续在中国吗?不是的。

1738年,法国科学家用机械制造了机器鸭,能像鸭子一样完成很多鸟类的动作。

会签字的玩偶

瑞士的钟表业非常发达,瑞士有一对父子发明了一个玩偶,可以签字。这都是非常精巧的机械结构。

在日本也有科学家制造了端茶玩偶。

所有这些都展现了人类的梦想——制造机器人替代我们的工作。但它的动力源要么来自储能的机器,要么来自水流,要么来自风力。这致使机器人能够完成的工作非常少,同时体积非常庞大。

机器人的技术革新从电开始

我们认为机器人研发的巨大转折点是电技术。电驱和电控对机器人行业来讲是颠覆性的技术,它的出现让机器人真正以丰富的生产线面向大众。

机器人发展史

20世纪50年代,第一个复杂意义上的数控机床出现了。机器人和数控机床是密不可分的,是同源的,从架构、控制上有很多的相似性,这意味着今天所有的机器人都是基于当时的产业变化和基础。

1953年,出现了真正意义上第一台工业机器人,后来,机器人逐步走进了工厂。

1980年,中国科学院沈阳自动化研究所(现在的机器人学国家重点实验室)成功研制了自己的工业机器人,中国的机器人空白被填补了。

蒋新松院士是中国机器人研究的带头人,被称为“中国机器人之父”,在他的引导下,中国机器人产业有了一次飞跃式发展。

典型串联结构机器人

机器人有什么样的典型结构?图中是典型的串联结构,6轴。

我们可以把“轴”理解成关节或旋转轴。空间有X、Y、Z三个直角坐标轴,还有X、Y、Z三个旋转轴。

通常我们认为一个6个自由度或者6个轴的空间坐标能够取代中间空间的所有点,意味着一个6轴的机器人可以完成空间的所有工作。

但是,我们后来发现6轴并不够用,人的胳膊是7轴结构,于是研究者开发出了7轴机器人。

7轴机器人可以完成非常复杂的动作,就像腕关节固定,胳膊仍然可以做出不同的动作。

这种机器人在什么时候最有用呢?它在一些封闭、复杂的狭小空间里可以有效地完成动作,例如做手术,做手术的时候机器人必须要绕过你的骨骼,这个时候7个自由度机器人会体现出价值。

机器人都有哪些结构呢?可以用机器人跟人进行一下对比。关节里面有电机,电机的作用就是完成动作。

电机怎么完成这个动作呢?要加驱动器,驱动器不断地发送脉冲,伺服电机按照脉冲来完成它的轨迹。

电机中间有一个减速器,减速器顾名思义是为了让电机的输出的速度降低一点,但是输出的力矩会大幅上升。这意味着非常紧凑的结构可以完成非常大的输出力。

机器人里面还有编码器,我们俗称码盘,它的作用是什么呢?让机器人执行一个动作,到底做到了还是没有做到?通过它把数据采回来的反馈给我们。编码器让每一个动作能发出去还能收回来,形成闭环反馈。

和人一样,机器人身上有非常重要的传感器。人有很多传感器感知外部,最重要的两个传感器是:第一,力传感器。全身的皮肤、组织都相当于力传感器。

第二,视觉传感器,人认知和改造世界靠的就是视觉传感器。

对机器人来讲力传感器和视觉传感器也是非常重要的,所以研究者也在不断开发智能传感器

机器人还配有控制器,控制器像什么呢?像人类的大脑,也相当于计算机的CPU。它能够采集数据,分析和规划路径。我们提到的操作系统、实时内核使机器人和人之间能够建立更有效的沟通。

大家看到的是一个双臂机器人,双臂机器人每个胳膊有7个关节,也就叫7个自由度的机器人

机器人模拟端咖啡送水

图中展示的是模拟端咖啡送水的工作。在2018年的进博会上,这款机器人被征调进了主会场,替代服务员的工作,为各国元首端茶送水。

我们以前生产的机器人都是单臂,但是单臂不足以替代人类完成更多的工作,所以双臂应运而生。

双臂机器人其实很复杂,为什么呢?人同时使用双臂劳作很简单。对于机器人来说,要随时能感知两臂之间的空间,两个胳膊不碰撞在一起,要构建一个非常有效的空间坐标,让两个臂之间不要冲突,这个要求非常高。

所以,对人类来说很简单的工作,对机器人来讲却非常难。但是也有一些机器人擅长的工作对人而言就非常难了。

我小的时候喜欢看武侠小说,《射雕英雄传》里的周伯通会“双手互博”,左手画方,右手画圆,在座诸位能做到这个的应该不多吧?但这对机器人来讲非常容易。可见,机器人的很多技能和人类有非常大的互补性。

我们再看这个场景,这是典型的双臂机器人,它配备了AR视觉系统。

我们和机器人之间怎么沟通呢?难道是靠说话?说话交流的速度和信息量是不够的。

人认知外部世界更多是靠视觉,因此我们经常在想人和机器人之间是不是能建立一座桥梁,让大量的数据有效快速传递?这种想法促成了AR系统有效的嫁接。

通过AR系统,我们可以把机器人的所有状态都显示出来,还有典型的虚拟视角,在使用者的空间环境下虚拟地完成机器人的编程动作后,机器人可以有效地完成它自己的工作。

这种应用在很多危险环境下价值非常高,例如核污染。

亲密伙伴机器人

机器人是不是只存在于工业领域呢?不一定,在未来机器人可能是作为人类的伙伴出现的。

给大家展示一个新型的产品——乒乓球机器人。乒乓球是国球,每个人对乒乓机器人都有自己的设想。

这是中国乒乓球学院开发的产品,目的就是为国家队、专业队提供有效的陪练服务。目前看到的场景是机器人和人之间的对抗,在2019年底或者2020年会出现更新一代的机器人。

很多人会问,乒乓球机器人如何才能做出有效的动作呢?是不是建数学模型,拿摄像头采集运动轨迹来计算它怎么回球?

很多研究者也是这么想的,实际上做不到。为什么?中国人打球,球一定是要转的,球在转的过程中没有任何一个摄像头能采到它怎么转。

因此一开始做实验的时候我们把球变成花瓣等各种样子,希望能够采集到球旋转的过程,发现非常困难。但后来意识到采集到也没用,乒乓球的速度非常快,等你采集并运算完了以后球早过去了。

那到底应该怎么做呢?我们用的技术是机器学习。摄像头采集人打球的动作,把人瞬间的动作传回来,变成机器人学习的过程,它来预判你这个球大概以什么样的方式过来,以什么样的轨迹过来。

所以这种方式就更像人与人之间的对抗。这个机器人在2018年人工智能大会展出三天。基本上三球以后没有人可以赢它,头三球是它适应的过程。

我们也期待未来能研发出量产的产品,它们就可以到社区、健身房跟大家一起互动。

这是一个四足机器人,机器人如果只能静止在这儿是不够的,一定要运动起来。对机器人来讲以前的运动方式是轮式驱动,但轮式驱动对地形是很挑剔的,只有足式是没有挑剔的。

足式运动要不断地处理好平衡和重心,像这样在复杂的崎岖地面上能够时刻保持自己的重心,保持自己的位置是非常非常难的。

四足机器人还能做什么?这是在实验室里面,机器人用前面的机械臂模拟人的动作打开门锁,为机器狗开门,动作跟人是很相似的。

上图是一个机器人在进行跳跃,也许在座诸位完成这些都很容易,但是做到这一点对机器人非常非常难。为什么这么讲呢?

机器人研究中最重要的学科之一是动力学,因为机器人一直是运动的状态。当姿态发生变化时重心就变了,惯量也在变。所以对机器人来讲一直是变惯量的状态,这意味着机器人要不断地实时计算分析。

另外一点,这个产品在落地的时候对电机的冲击非常大,如果控制不当的话电机当时就被摧毁了。所以机器人的缓冲和震动过程都有大量的算法在跟踪,机器人也从以前的工厂逐步进入许多能够创造更多价值的地方。

手术机器人

这个叫手术机器人,是典型的主从操作手术机器人。外科手术精确度很高,需要外科医生的手非常稳,做重大手术之前不许喝酒,一定要休息得当。

机器人做手术

机器人可以有效地剔除生物震颤所以做微创手术的创面更小,做的手术可以更精巧。这都是手术机器人可能作为伙伴出现的例证。

我们早期研发机器人一般利用机械、电子等传统的工程学科知识。今天,大量的哲学、伦理学都融入到机器人研究中。

机器人伦理中,有一个著名的机器人三原则:第一,机器人不得伤害人类; 第二,机器人必须服从人类的命令,除非与第一条相反; 第三,机器人必须保护好自己,除非和前两个冲突。

机器人三原则是由著名科幻作家阿西莫夫提出的,是在开发智能机器人时最重要的设计依据。

大家经常在想,未来机器人到底怎么样?会不会是人类的敌人?未来机器人一定是人类的亲密伙伴,原因也正是这三点,这三点保障了机器人和人类之间亲密的关系。

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