人類(lèi)手指靈巧，但是機(jī)器人正在迎頭趕上

人類(lèi)手指靈巧，但是機(jī)器人正在迎頭趕上。

在1973年的經(jīng)典科幻電影《西部世界》中，度假勝地的機(jī)器人員工與人類(lèi)客人沒(méi)有什么區(qū)別，除了一個(gè)小線索：工程師們還沒(méi)有完善機(jī)器人的手。

現(xiàn)實(shí)機(jī)器人的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于《西部世界》中的機(jī)器人殺手，但在這一小點(diǎn)上，現(xiàn)實(shí)和虛構(gòu)是一致的：手和物體的操控，正是機(jī)器人技術(shù)中特別具有挑戰(zhàn)性的一部分。加州大學(xué)伯克利分校的工程師Ken Goldberg說(shuō)：“抓握是目前（機(jī)器人技術(shù)）最重要的挑戰(zhàn)?！?/p>

來(lái)源：Sam Chivers

在過(guò)去的50年里，機(jī)器人在嚴(yán)格控制的工作條件下已經(jīng)表現(xiàn)得非常好，例如在汽車(chē)裝配線上。昆士蘭科技大學(xué)澳大利亞機(jī)器人視覺(jué)中心（ACRV）的機(jī)器人研究員Juxi Leitner說(shuō)：“你可以針對(duì)一項(xiàng)特定的任務(wù)建立一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，比如撿起一個(gè)汽車(chē)零件。你確切知道要把某個(gè)部件放置到什么位置，機(jī)械臂需要達(dá)到什么位置；因?yàn)闄C(jī)器人已從同一個(gè)地方拾起同樣的部件幾百萬(wàn)次了?！?/p>

但現(xiàn)實(shí)世界不是一條可預(yù)測(cè)的裝配線。盡管人類(lèi)可以輕松地與工廠大門(mén)之外的無(wú)數(shù)物體和環(huán)境相互作用，但這對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)卻極其困難。

這些幾無(wú)章法可言的環(huán)境是機(jī)器人研究人員需要攻克的下一個(gè)前沿領(lǐng)域，它們對(duì)于機(jī)器人抓握來(lái)說(shuō)是特別棘手的。任何希望與外界進(jìn)行實(shí)體交互的機(jī)器人都不得不面對(duì)一個(gè)問(wèn)題：物體對(duì)觸摸的反應(yīng)具有內(nèi)在不確定性。Goldberg說(shuō)：“預(yù)測(cè)遙遠(yuǎn)的小行星的運(yùn)動(dòng)比我們預(yù)測(cè)一個(gè)簡(jiǎn)單物體被推過(guò)桌子的運(yùn)動(dòng)要容易得多?！?/p>

一些研究人員正在使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)使機(jī)器人獨(dú)立識(shí)別和設(shè)計(jì)如何抓取物體。另外一些人則正在改進(jìn)硬件——機(jī)械手從鉗形結(jié)構(gòu)到仿人手，不一而足。機(jī)器人學(xué)家也正全力以赴應(yīng)對(duì)如何操控抓握住的物體這一挑戰(zhàn)。

提升機(jī)器人抓握能力可能會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)影響。商業(yè)實(shí)體，特別是涉及各種貨物運(yùn)輸?shù)膶?shí)體，正在密切關(guān)注著相關(guān)研究的發(fā)展。“這方面具有巨大的需求。伴隨著電子商務(wù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界非常希望能解決這個(gè)問(wèn)題?！盙oldberg說(shuō)。業(yè)界的研究興趣比以往任何時(shí)候都大，“這是一個(gè)將研究真正付諸實(shí)踐的好機(jī)會(huì)。”

學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)

過(guò)去三年來(lái)，電子商務(wù)巨頭亞馬遜組織的年度競(jìng)賽充分體現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)界對(duì)此的濃厚興趣。亞馬遜機(jī)器人挑戰(zhàn)賽（Amazon Robotics Challenge）要求參賽隊(duì)伍設(shè)計(jì)并制造一種機(jī)器人，讓它根據(jù)客戶(hù)訂單將物品從集裝箱中分揀出來(lái)，然后放進(jìn)盒子內(nèi)。

物品種類(lèi)多樣，從瓶子、碗到軟玩具和海綿，皆包括在內(nèi)；而且這些物品一開(kāi)始是混雜在一起的，這使得物體辨別和機(jī)械抓握都非常具有難度。

2017年7月，Leitner的ACRV隊(duì)建造的機(jī)器人Cartman奪得了挑戰(zhàn)賽的勝利。Cartman類(lèi)似于游樂(lè)場(chǎng)中的抓娃娃機(jī)，由一個(gè)鋁制框架支撐機(jī)械爪組件構(gòu)成。它有兩個(gè)用于拾取物體的工具——末端執(zhí)行器，一個(gè)是兩塊平行板組成的抓器，另一個(gè)是連接了真空泵的吸盤(pán)。

對(duì)于機(jī)器人遇到的每一個(gè)物體，研究人員都指定了應(yīng)該首先嘗試哪一個(gè)執(zhí)行器；如果不起作用，機(jī)器人就會(huì)切換另一個(gè)。

不過(guò)，機(jī)器人首先必須找到它所要尋找的物品。為此，ACRV隊(duì)采用了機(jī)器學(xué)習(xí)方法。Cartman主要依靠業(yè)內(nèi)流行的RGB-D相機(jī)獲得輸入，RGB-D相機(jī)可以同時(shí)獲取物體顏色和深度信息。相機(jī)通過(guò)執(zhí)行器向下看，看到下面盒子的內(nèi)部。

Leitner解釋說(shuō)，這個(gè)角度有利于Cartman標(biāo)記每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的物品——這是一種被稱(chēng)為語(yǔ)義分割的深度學(xué)習(xí)形式。一旦找到目標(biāo)物品的像素群，相機(jī)的深度感應(yīng)能力就可以幫助機(jī)器人計(jì)算出如何抓取該物品。Leitner說(shuō)：“簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們把物品露在外面最多的那部分固定住。”

機(jī)器人抓取技術(shù)的最新進(jìn)展得益于機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展。“軟件一直是制約瓶頸，但由于深度學(xué)習(xí)，它正變得越來(lái)越先進(jìn)?！奔又荽髮W(xué)伯克利分校的深度學(xué)習(xí)專(zhuān)家Pieter Abbeel說(shuō)。這些發(fā)展開(kāi)啟了“機(jī)器人應(yīng)用的全新途徑”。

Abbeel是加利福尼亞埃默里維爾的一家初創(chuàng)公司covariant.ai的聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學(xué)家，公司使用深度學(xué)習(xí)來(lái)訓(xùn)練機(jī)器人。與其設(shè)定機(jī)器人執(zhí)行特定的動(dòng)作，倒不如通過(guò)人類(lèi)示范教會(huì)機(jī)器人適應(yīng)同一問(wèn)題的不同場(chǎng)景。

人類(lèi)教練通過(guò)頭戴裝置觀看機(jī)器人手臂上相機(jī)的反饋圖像，并使用運(yùn)動(dòng)控制來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人手臂拾取物體。在此過(guò)程中所采用的方法數(shù)據(jù)會(huì)傳輸給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?！爸灰袔装俅芜@樣的演示，你就可以訓(xùn)練一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)一項(xiàng)技能?！盇bbeel說(shuō)，“我的意思是，機(jī)器人不是掌握了一種它將重復(fù)執(zhí)行的特定動(dòng)作，而是掌握了根據(jù)相機(jī)反饋來(lái)調(diào)整動(dòng)作的能力?！?/p>

Goldberg也同樣使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)訓(xùn)練機(jī)器人掌握抓握技巧。但他不是從真實(shí)世界中收集數(shù)據(jù)，而是對(duì)他的Dex-Net軟件進(jìn)行虛擬訓(xùn)練。“我們可以迅速模擬出數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的抓握。”他說(shuō)。該軟件使工業(yè)機(jī)器人能從成堆的物體中拾取指定物品，即使是它以前沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的，且成功率超過(guò)90%。應(yīng)對(duì)某個(gè)特定物體時(shí)，它還可以自己決定是使用平行鉗夾還是吸盤(pán)工具。

第四代Dex-Net將于2018年面世。根據(jù)Goldberg和其他機(jī)器人學(xué)家開(kāi)發(fā)的一種體現(xiàn)可重復(fù)性的度量指標(biāo)——每小時(shí)平均分揀次數(shù)，Dex-Net目前屬于最快的一類(lèi)分揀機(jī)器人，每小時(shí)平均分揀次數(shù)可以達(dá)到200次以上，雖然仍然落后于人類(lèi)——約為400到600次，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最近的亞馬遜機(jī)器人挑戰(zhàn)賽參賽團(tuán)隊(duì)所取得的成績(jī)（見(jiàn)“成功的衡量標(biāo)準(zhǔn)”）。

來(lái)源：Ken Goldberg

但Dex-Net的模擬世界是不完善的。例如，該模型假定物品都是剛性的，不考慮包含液體的物體。Abbeel表示，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)講，模擬可能并不總是最簡(jiǎn)單的方法。“真實(shí)世界是免費(fèi)的模擬器，”他說(shuō)，“如果機(jī)器學(xué)習(xí)能平衡這兩種方式是最好的。”

輕柔地抓取

Goldberg和Leitner采用了流行的平行鉗夾和吸盤(pán)組合：2017年亞馬遜機(jī)器人挑戰(zhàn)賽中的大多數(shù)團(tuán)隊(duì)都是這樣。但是這些工具是如何抓取物體的呢？——提前規(guī)劃好接觸點(diǎn)再盡可能精確地移動(dòng)到位，這與我們?nèi)祟?lèi)使用雙手的方式是非常不同的。

柏林工業(yè)大學(xué)的機(jī)器人學(xué)家Oliver Brock說(shuō)：“如果你要從桌子上拿起一樣?xùn)|西，比如筆，你首先接觸到的是桌子?！蔽覀儾豢紤]需要把手指放在哪里。人手比較柔軟，可以做到柔性接觸——手指根據(jù)物體表面情況而發(fā)生變化。麻省理工學(xué)院的機(jī)器人學(xué)家Daniela Rus說(shuō)：“因?yàn)槿耸趾臀矬w之間具有較大的接觸面，你可以憑直覺(jué)接觸和抓取。因?yàn)槿彳浀氖种?，我們改變了抓握的方式?！?/p>

許多人正在試圖將柔性引入機(jī)器人機(jī)械爪中，以發(fā)揮柔性抓取的優(yōu)勢(shì)。Brock的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了“RBO Hand 2”——一個(gè)有五根硅膠手指的仿人手機(jī)械臂。通過(guò)壓縮空氣的移動(dòng)控制這些硅膠手指，讓手指能夠根據(jù)需要彎曲和伸直。

雖然仿人類(lèi)的手指可能并不適合每一種任務(wù)，但卻是與我們所生活的世界進(jìn)行互動(dòng)的理想方式?！斑@個(gè)世界是為人手設(shè)計(jì)的?！盉rock說(shuō)。不過(guò)他的機(jī)器人手的擬人化設(shè)計(jì)還有另一層考量?！罢f(shuō)來(lái)尷尬，”他說(shuō)，“一般人，甚至是機(jī)器人學(xué)家，都更喜歡那些看起來(lái)像人類(lèi)的東西?！?/p>

柔性的好處已經(jīng)吸引了商界的注意。馬薩諸塞州劍橋市的Soft Robotics公司制造了一種氣動(dòng)鉗夾，比Brock的研究模型更像爪狀，并已在工廠里試用，用于處理易碎產(chǎn)品，避免發(fā)生損害。

另一家初創(chuàng)公司——馬薩諸塞州薩默維爾的Righthand Robotics正為當(dāng)前流行的機(jī)械爪和吸盤(pán)裝置添加柔性特征。公司設(shè)計(jì)的爪子有三根柔性手指，中間是可伸縮的吸盤(pán)。

公司聯(lián)合創(chuàng)始人Lael Odhner說(shuō)，該設(shè)計(jì)的靈感來(lái)自于猛禽；這些鳥(niǎo)類(lèi)大部分前臂肌肉組織都附著在一組直達(dá)爪尖的肌腱上。類(lèi)似地，Odhner的機(jī)械爪馬達(dá)的所有力量都被用于一個(gè)單一的閉合動(dòng)作中。這個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作犧牲了執(zhí)行精細(xì)運(yùn)動(dòng)的能力，但提高了可靠性——對(duì)于商業(yè)用途的夾鉗來(lái)說(shuō)這是一個(gè)重要的考量。但是，可伸縮吸盤(pán)則彌補(bǔ)了其中的不足。Odhner說(shuō)：“它取代了幾十個(gè)精密的致動(dòng)器，否則你將不得不把它們?nèi)堪惭b在機(jī)械手上?！?/p>

一手掌控

柔性對(duì)于機(jī)器人學(xué)來(lái)說(shuō)還是比較新的。Rus說(shuō)：“這是一個(gè)非常強(qiáng)大的概念，但人們才剛剛開(kāi)始探索它。”

一種常見(jiàn)的批評(píng)意見(jiàn)是：一個(gè)柔軟的機(jī)械手在抓住物體后，很難做出有用的動(dòng)作。Rus解釋說(shuō)“你能很好地抓握物體，”但“你不知道手中物體的確切朝向”。這使得操控物體變得棘手。Goldberg對(duì)此表示贊同：“一只柔軟、可以包蓋物體的手，實(shí)際上降低了手中物體的能見(jiàn)度。”

人類(lèi)解決這個(gè)問(wèn)題的方式很簡(jiǎn)單：觸摸。但很少有機(jī)器人被賦予這種能力?！叭藗円恢抡J(rèn)為賦予機(jī)器人觸覺(jué)很重要，”Brock說(shuō)，只是這很難做到。

他正在探索利用兩種方法來(lái)賦予他的柔性機(jī)械手觸覺(jué)。較成熟的方法是將液態(tài)金屬管嵌入包裹在機(jī)器人手指周?chē)墓枘z片中，然后利用金屬管周?chē)?a target="_blank">電阻監(jiān)測(cè)所受的力?！皽y(cè)量手指每個(gè)部分所受的應(yīng)力，根據(jù)這些數(shù)據(jù)并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)推斷手指到底發(fā)生了什么變化?！边@個(gè)小組目前正在評(píng)估每個(gè)手指上需要多少個(gè)應(yīng)力傳感器來(lái)測(cè)量各種力。

Brock的另一種方法是利用聲學(xué)來(lái)獲得觸覺(jué)。在概念驗(yàn)證測(cè)試中，研究人員在柔性手指的氣腔內(nèi)放置一個(gè)麥克風(fēng)，然后通過(guò)收錄的聲音辨別手指的哪一部分接觸到物體、接觸的力量和物體的材料。將麥克風(fēng)深埋入手指內(nèi)，可以避免降低機(jī)械手指柔性。Brock說(shuō)這項(xiàng)工作的細(xì)節(jié)將很快發(fā)表出來(lái)，而且他計(jì)劃與聲學(xué)專(zhuān)家合作以改善他的設(shè)計(jì)。

許多機(jī)器人學(xué)家認(rèn)為，不太可能有一個(gè)普適的抓握解決方案。Rus指出，即使機(jī)器人能達(dá)到人類(lèi)的靈巧程度， “還有很多東西是人類(lèi)的手也無(wú)法抓取的?！钡请S著機(jī)器人抓握能力的不斷提升，越來(lái)越多目前由人類(lèi)執(zhí)行的任務(wù)將通過(guò)自動(dòng)化方式完成。

去年發(fā)表的一份報(bào)告估計(jì)，大多數(shù)職業(yè)至少可以實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)化。但Goldberg強(qiáng)調(diào)，研究機(jī)器人不是為了讓人們失業(yè)?！拔业哪繕?biāo)不是讓機(jī)器人取代人類(lèi)，”他說(shuō)，“而是讓機(jī)器人協(xié)助人類(lèi)?！?/p>

不管結(jié)果如何，我們還需要取得大量研發(fā)進(jìn)步才能真正迎來(lái)機(jī)器人革命。雖然Leitner團(tuán)隊(duì)去年贏得了亞馬遜機(jī)器人挑戰(zhàn)賽，但其機(jī)器人手臂在比賽的第一天就摔壞了，而且大多數(shù)團(tuán)隊(duì)也都遭遇了各式各樣的技術(shù)問(wèn)題?！斑@些系統(tǒng)還不是非常穩(wěn)健，” Leitner說(shuō)，“如果你要在亞馬遜倉(cāng)庫(kù)里使用它，我無(wú)法保證它實(shí)際能工作多久?！?/p>

“我仍然處在探索新世界的途中，”Brock說(shuō)，“還沒(méi)有準(zhǔn)備好走到聚光燈下，左右工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展?！钡?，正如Goldberg所說(shuō)，“實(shí)際應(yīng)用已無(wú)阻礙，它已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生了。”