江蘇昊目智能

?機(jī)器人小i在雞蛋外殼上鉆孔

撰文|崔昊天

責(zé)編|程莉

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老電影《》中有一個經(jīng)典的鏡頭，卓別林每天不停歇地在生產(chǎn)流水線上扭緊一個個六角螺帽，最后他的眼睛里只剩下一個個六角螺帽，看到什么都要去扭一扭，最終瘋狂。這一幕描繪的是20世紀(jì)30年代的美國工廠。如果他生活在現(xiàn)在，自然不會發(fā)瘋，因?yàn)楦呔葯C(jī)器人已經(jīng)不僅僅能做到精確地扭緊螺帽了。

用鉆頭鉆透雞蛋殼而蛋膜完好無損，刺穿覆在氣球上的薄紙保證氣球不破……這些“不可能的任務(wù)”需要超乎常人的穩(wěn)定、精確，以及敏捷的反應(yīng)。本周《機(jī)智過人》的節(jié)目現(xiàn)場，代表機(jī)器智能的協(xié)作機(jī)器人和最富經(jīng)驗(yàn)的人類高級鉗工一起面對挑戰(zhàn)，他們能成功嗎？

，我國有些精密的武器彈藥依然需要人工做最后的校準(zhǔn)，以保證結(jié)構(gòu)的精確性。來自軍工企業(yè)的高級鉗工張新停師傅，就是這樣一位“給子彈立規(guī)矩”的人。把鉆頭當(dāng)繡花針用是他每天的工作，因?yàn)榫纫笞罡叩牟考?，要把誤差控制在千分之一毫米。手工打磨一個滿足如此要求的部件，一位高級鉗工需。

?人工刺破緊貼在氣球表面的A4紙

為了在高精度加工中提升工作效率，輔助人工甚至替代人工，需要精密數(shù)控機(jī)床和高精度的機(jī)械臂。在《機(jī)智過人》節(jié)目現(xiàn)場出現(xiàn)的小i機(jī)器人，即是一種高精度的雙臂協(xié)作機(jī)器人，每條機(jī)械臂有六個自由度。

自由度是什么呢？機(jī)械臂的自由度（DegreeofFreedom）用來描述機(jī)械臂動作的靈活性，與能夠獨(dú)立運(yùn)動的關(guān)節(jié)數(shù)目對應(yīng)。目前工業(yè)機(jī)器人采用的控制方法通常在機(jī)械臂的每一個關(guān)節(jié)軸處安放一個獨(dú)立的伺服電機(jī)，因此“軸數(shù)”越多，代表了機(jī)器人的運(yùn)動越靈活自由。小i是一種六軸機(jī)器人，即擁有六個自由度，可以實(shí)現(xiàn)橫向，縱向，垂向三個方向的移動以及三個方向的姿態(tài)角。因此在機(jī)械臂的活動空間內(nèi)，六自由度的機(jī)械臂可以按任意指定方向到達(dá)指定位置，滿足各種運(yùn)動需求。

協(xié)作機(jī)器人又是什么呢？我們知道，大部分工業(yè)機(jī)器人是自動作業(yè)或是被。協(xié)作機(jī)器人則不同，它和人類近距離接觸，能夠與人在同一工作環(huán)境中協(xié)同工作，在生產(chǎn)生活中充當(dāng)不同的角色，如在辦公室環(huán)境下它可以是和人類一起工作的自主機(jī)器人，在工廠中它可以充當(dāng)沒有防護(hù)罩的工業(yè)機(jī)器人。

因此協(xié)作機(jī)器人在設(shè)計(jì)之初就從安全性的角度為人機(jī)互動提供了安全保障，在構(gòu)造和性能上兼具了人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的靈活性和適應(yīng)性。那小i機(jī)器人是否真的和人一樣靈巧又心細(xì)如發(fā)呢？節(jié)目現(xiàn)場給出了兩輪挑戰(zhàn)。

首先，小i需要在雞蛋表面打五個孔，將蛋殼鉆除，還要保證蛋膜完好無損。雞蛋殼的厚度是0.3-0.4mm，蛋殼內(nèi)部的蛋膜更薄。從技術(shù)層面分析，小i成功完成挑戰(zhàn)依靠的是完整的自主規(guī)劃能力和準(zhǔn)確的力反饋控制。

小i利用每個機(jī)械臂腕部的攝像頭對雞蛋表面進(jìn)行三維掃描，確定好正確的鉆孔位置和鉆孔方向（垂直于蛋殼曲面的方向）。實(shí)際鉆孔過程中利用機(jī)械臂的力反饋傳感器感，做出停機(jī)控制。最終結(jié)果是小i操作的效率和準(zhǔn)確度遠(yuǎn)超人類選手。

在另一個挑戰(zhàn)中，小i需要利用一把唐刀迅速刺破緊貼在氣球表面的A4紙，氣球要完好無損。傳感器在接觸到紙的瞬間感受到阻力變化，知的干擾，在電光火石之間做出停機(jī)指令，準(zhǔn)確快速制動機(jī)械臂運(yùn)動，這樣的操作給力反饋控制提出了極高的要求。最終小i也成功完成了挑戰(zhàn)。

?小i接受挑戰(zhàn)中

90后機(jī)器人

在機(jī)器人領(lǐng)域中，協(xié)作機(jī)器人還很年輕。1996年，由美國西北大學(xué)的2位教授J．EdwardColgate和MichaelPeshkin首次提出，并申請了專利。協(xié)作機(jī)器人概念的提出，來源于1995年通用汽車基金會（GeneralMotorFoundation）的資助項(xiàng)目，該項(xiàng)目試圖找到相關(guān)方法使機(jī)器人變得足夠安全以便可以和工人協(xié)同工作。

2005年，專門研發(fā)協(xié)作機(jī)器人的UniversalRobots公司在丹麥成立。公司創(chuàng)始人在丹麥大學(xué)的研究中意識到了中小企業(yè)對靈活制造的需求。到2009年,UniversalRobots公司推出了一款機(jī)器人——UR5，全球首款協(xié)作機(jī)器人誕生。

2012年，RethinkRobotics推出了雙臂協(xié)作機(jī)器人Baxter。Baxter以用戶友好著稱，使用了拖動示教系統(tǒng)方便用戶快速設(shè)定機(jī)器人動作，的仿生機(jī)械臂關(guān)節(jié)，保證使用安全。

?Baxter機(jī)器人在工作

自此之后，，不僅傳統(tǒng)四家工業(yè)機(jī)器人巨頭紛紛進(jìn)軍這一新領(lǐng)域，KUKA的LBRiiwa（2013）、ABB的YuMi（2014）、FANUC的aR-35iA（2015）以及Yaskawa的MOTOMAN-HC10（2015）相繼推出，新創(chuàng)立的協(xié)作機(jī)器人公司。協(xié)作機(jī)器人的概念也被大家所認(rèn)識和接受，并逐漸發(fā)展成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。輕型，靈活，安全成為協(xié)作機(jī)器人的標(biāo)簽。

?多種多樣的協(xié)作機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)走向成熟。而我國起步較晚，核心部件（伺服電機(jī)、減速器、控制器等）的制造與世界先進(jìn)水平還存在差距。例如，控制機(jī)械臂精確運(yùn)動的核心零件減速器。機(jī)械臂的伺服電機(jī)在低頻運(yùn)轉(zhuǎn)下容易發(fā)熱和出現(xiàn)低頻振動，不機(jī)器人精確、可靠地運(yùn)行，而精密減速器能夠使伺服電機(jī)在一個合適的速度下運(yùn)轉(zhuǎn)，并精確地將轉(zhuǎn)速降到工業(yè)機(jī)器人需要的速度。國際上精密減速器的生產(chǎn)，其中Nabtesco由兩家具有60年納博克合并而來，60%，Harmonica占有率達(dá)15%。

?減速器結(jié)構(gòu)示意圖

差距中蘊(yùn)含著機(jī)遇，我國近年來出現(xiàn)了一批減速器研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，國產(chǎn)減速器的質(zhì)量在逐步提升。一些相關(guān)的指標(biāo)，如傳動誤差、回差與國際水平的差距已明顯縮小。從小i機(jī)器人的精確控制中可以看到國產(chǎn)機(jī)器人核心部件的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

另一方面，人工智能等新興技術(shù)也在與工業(yè)機(jī)器人結(jié)合中。2015年，Google與來自加州大學(xué)伯克利分校的研究者SergeyLevine和PieterAbbeel開發(fā)的深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)使機(jī)器人可以自己完成掛衣服，開瓶蓋等動作。2016年，SergeyLevine再次與Google合作，通過視覺識別使機(jī)械臂完成了抓取多種形狀物體的自主學(xué)習(xí)，而不需要人為程序指定，這在工業(yè)生產(chǎn)線中具有潛在的應(yīng)用價值。

?深度學(xué)習(xí)方法控制機(jī)器人抓取各種物體

機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)制造現(xiàn)代化的支柱之一，是衡量國家制造業(yè)水平和科技水平的標(biāo)志。然而國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)研究起步較晚，與世界先進(jìn)水平仍存在較大差距。正如清華大學(xué)魯白教授在《機(jī)智過人》節(jié)目現(xiàn)場所指出的，“中國是全球最，但是投入使用的很多工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的都是國外的技術(shù)，期待看到更多這樣優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人投入到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中去”。

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