【自適應(yīng)計算在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用】連載一：什么是自適應(yīng)機器人？

　　作者： Víctor Mayoral-Vilches 和 Giulio Corradi，賽靈思公司

　　連載一：什么是自適應(yīng)機器人？

　　機器人是一種系統(tǒng)級的系統(tǒng)，它由感知周邊環(huán)境的傳感器、根據(jù)感知采取行動的致動器和負責處理數(shù)據(jù)的計算構(gòu)成，用于對其應(yīng)用做出連貫一致的響應(yīng)。在很大程度上機器人技術(shù)是一種系統(tǒng)集成的藝術(shù)，從軟件的角度和硬件的角度看皆是如此。以往的研究揭示，在機器人領(lǐng)域中多達 70% 的資源被用于集成，而不是用于開發(fā)最終應(yīng)用。直到最近，隨著較低端的工業(yè)機器人走向大規(guī)模普及化，機器人公司才開始在硬件基礎(chǔ)上著重軟件開發(fā)。盡管如此，機器人仍然是高度專業(yè)化的系統(tǒng)，旨在以高可靠性和高精度執(zhí)行一系列任務(wù)。因此，機器人內(nèi)部的硬件和軟件能力之間的關(guān)系十分重要。

　　大多數(shù)機器人通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)交換信息并滿足時序要求。從這種意義上來講，機器人屬于時間敏感型網(wǎng)絡(luò)。

　　機器人系統(tǒng)機載資源通常有限，包括存儲器、I/O 和磁盤或計算功能，從而阻礙了系統(tǒng)集成進程，使之難以滿足非結(jié)構(gòu)化、動態(tài)和不斷變化環(huán)境的實時性要求。隨著機器人內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全的發(fā)展，這一點更是如此，因為它經(jīng)常會在使用壽命方面給機器人帶來新的要求，這需要修改機器人的邏輯，從而對實時環(huán)路產(chǎn)生影響。因此，為機器人系統(tǒng)選擇合適的計算平臺至關(guān)重要，該平臺既要簡化系統(tǒng)集成、符合功耗限制，同時也要適應(yīng)機器人應(yīng)用不斷變化的需求。

　　自適應(yīng)機器人是指那些能夠成功應(yīng)對新狀況的機器人。要成為一個名副其實的自適應(yīng)機器人，必須具備以下三大基本特征中至少一個：自適應(yīng)行為、自適應(yīng)機電一體化、自適應(yīng)計算。擁有全部三大基本特征的機器人，則可被視為“全自適應(yīng)機器人”。

　　總而言之，機器人是能夠以高可靠性和高精度執(zhí)行一系列任務(wù)的高度專業(yè)化的系統(tǒng)。機器人內(nèi)部的硬件和軟件能力之間的關(guān)系十分重要。因此，為機器人系統(tǒng)選擇合適的計算平臺至關(guān)重要。該平臺既要能夠簡化系統(tǒng)集成、符合功耗需求，同時也要能夠適應(yīng)機器人應(yīng)用不斷變化的需求。

　　自適應(yīng)機電一體化 （Adaptive mechatronics）是一個業(yè)已存在數(shù)十年的概念。Gosselin 從機械的角度探討這個課題，并將自適應(yīng)系統(tǒng)定義為能夠成功響應(yīng)新狀況的系統(tǒng)。此外，他還將自適應(yīng)機器人機械系統(tǒng)定義為自適應(yīng)系統(tǒng)，即通過高度依賴機械屬性，能夠適應(yīng)外部的新狀況。Gosselin 提供了各種純粹依靠機械構(gòu)造的自適應(yīng)機器人系統(tǒng)的雛形示例，包括自適應(yīng)機器人手。此外，Ivanov 也從純機械角度研究自適應(yīng)機器人，在研究中他提議自適應(yīng)機器人應(yīng)考慮使用自適應(yīng)電力驅(qū)動裝置，根據(jù)載荷改變電力驅(qū)動裝置的輸出。他將這種自適應(yīng)行為命名為自調(diào)節(jié) （self-regulation），并認為自適應(yīng)電力驅(qū)動裝置能在機器人應(yīng)用中實現(xiàn)高能效。通過采用傳感器輸入控制機制將這項研究延伸到機電一體化領(lǐng)域，產(chǎn)生了一項有關(guān)采用傳感器反饋實現(xiàn)自適應(yīng)機器人控制的研究。示例包括視覺反饋或力傳感器反饋等。

　　機器人的自適應(yīng)行為并非新穎概念。它可追溯到上世紀 80 年代中期 Brooks 提出的基于行為的機器人方法和他的包容式架構(gòu) （subsumption architecture）。在上世紀 90 年代，不同的研究小組都在研究如何讓機器人具備靈活應(yīng)變能力和自我組織能力，從而提高機器人的自主性。他們往往是通過某種控制機制（使用某種形式的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機器人的傳感器和致動器相連）來實現(xiàn)的。后來的 Ziemke在其研究中總結(jié)了這種方法，提出了自適應(yīng)神經(jīng)機器人的概念。

　　這種概念創(chuàng)造性地率先使用“自適應(yīng)機器人”一詞，指代用人工神經(jīng)系統(tǒng)和自適應(yīng)技術(shù)控制自主主體。最近，在《Robotic Fabrication in Architecture， Art and Design 2018》的機器人專輯中，作者援引“自適應(yīng)機器人”的說法，指通過添加感知和處理實現(xiàn)的完全自適應(yīng)行為（與 Ivanov提出的“自適應(yīng)機器人”概念不同，后者主要關(guān)注機械構(gòu)造角度）。根據(jù)原文，自適應(yīng)機器人是指能夠通過加裝傳感器，適應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件和材料特性，同時在一定程度上保持可預(yù)測性的機器人。與該研究同時代、同思路的 Mayoral-Vilches 等提出自主適配機器人的概念。這個概念利用硬件模塊化和人工智能（指上世紀 90 年代的自適應(yīng)神經(jīng)機器人趨勢）節(jié)省構(gòu)建這種機器人所需的工作量和時間。

　　自適應(yīng)計算是自適應(yīng)機器人第三大基本特征。對于機器人而言，它指的是機器人能夠在運行過程中適配其計算系統(tǒng)的一個或多個屬性（如確定性、功耗或吞吐量）。正如“What is adaptive computing？”中介紹的，FPGA 是實現(xiàn)自適應(yīng)計算的理想技術(shù)。FPGA 最早由賽靈思聯(lián)合創(chuàng)始人之一 Freeman 在 1984 年提出，它為自適應(yīng)計算奠定了基礎(chǔ)。FPGA 兼具通用性和強大功能，同時效率高、成本低。因為在 FPGA 上實現(xiàn)其他處理架構(gòu)，還可以實現(xiàn)并行處理，因此 FPGA 可以用于處理幾乎任何機器人內(nèi)部的任務(wù)。讓 FPGA 成為自適應(yīng)計算的另一特征在于，能夠針對每一種機器人應(yīng)用的需求專門定制數(shù)據(jù)路徑寬度和寄存器長度。

　　如何在機器人中使用自適應(yīng)計算的示例包括為加速運動規(guī)劃而設(shè)計的計算流水線、分布式同步或時間敏感型彈性通信等。有關(guān)機器人自適應(yīng)計算的更多示例可參閱“A survey of FPGA-based robotic computing”和“A survey on FPGA-based sensor systems： towards intelligent and reconfigurable low-power sensors for computer vision， control and signal processing”。