□文/席寧

新時(shí)期，跨越機(jī)器人的“三座大山”

□文/席寧

眾所周知，工業(yè)機(jī)器人最大的應(yīng)用是在生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，它對(duì)工業(yè)發(fā)展起到了很大的作用，同時(shí)也影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。現(xiàn)在，我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，這催生出了很多新機(jī)遇，同時(shí)也面臨著很多新挑戰(zhàn)。

過(guò)去，由于我國(guó)在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域起步較晚，面臨著三座大山——電機(jī)、減速器和控制器，但這些技術(shù)難題都在國(guó)際上已經(jīng)得到了基本的解決。近些年，我國(guó)也制定了很多策略來(lái)研究怎樣追趕國(guó)際水平。但是，除了要跨越過(guò)這三座大山，我們應(yīng)該將目光投向遠(yuǎn)方，思考工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域有什么新機(jī)遇，面臨什么新的挑戰(zhàn)，如何突破這種挑戰(zhàn)贏得未來(lái)。

新時(shí)期的“三座大山”

現(xiàn)在，人們認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)該實(shí)現(xiàn)智能化，那么我們首先需要知道智能化的目的是什么，為什么要智能化。我認(rèn)為，智能化的本質(zhì)就是讓工業(yè)機(jī)器人得到更方便的應(yīng)用。那么，怎樣使工業(yè)機(jī)器人得到更方便的應(yīng)用呢？通過(guò)研究我們找到了制約工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的問(wèn)題所在。

第一，為機(jī)器人編程特別耗時(shí)。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)智能化首先得給它編程，也就是為機(jī)器人編寫(xiě)機(jī)器語(yǔ)言，這類方法的缺點(diǎn)是特別耗費(fèi)時(shí)間。比如傳統(tǒng)的汽車行業(yè)，人們?cè)O(shè)計(jì)一輛汽車需要花費(fèi)3~5年的時(shí)間，而生產(chǎn)汽車的機(jī)器人的編程周期也需要花費(fèi)3~5年的時(shí)間。但是，現(xiàn)在我們要把機(jī)器人應(yīng)用到像手機(jī)制造那樣的新興領(lǐng)域，手機(jī)基本上一年就換一次，按照舊的方法，就需要為機(jī)器人一年編寫(xiě)一次全新的程序，這樣編程和使用的成本就大大提高了。所以，我們需要開(kāi)發(fā)新的編程手段，讓機(jī)器人更容易、更迅速地被應(yīng)用。

第二，機(jī)器人下游企業(yè)無(wú)法建立起機(jī)器人與環(huán)境的交互。企業(yè)在為機(jī)器人編程的同時(shí)，還要重新設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品以應(yīng)對(duì)迅速變化的市場(chǎng)，有時(shí)還要重新對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行組織調(diào)整，而機(jī)器人不是安裝在工位上就可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的。對(duì)于整條生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，機(jī)器人要建立與周圍環(huán)境的交互是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程。例如，要事先校正機(jī)器人，機(jī)器人有自己的坐標(biāo)需要與工廠的坐標(biāo)建立起聯(lián)系，這個(gè)過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的下游企業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，還需要機(jī)器人的制造廠商來(lái)提供這種服務(wù)，由此一來(lái)，無(wú)論從成本還是使用性的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)機(jī)器人應(yīng)用企業(yè)的發(fā)展都是一種很大的制約。

第三，機(jī)器人和傳感器的結(jié)合度不高。目前，機(jī)器人還只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的工業(yè)生產(chǎn)，不能一機(jī)多用，而我們追求的是使機(jī)器人精度更高、更加地智能化，可高效率地實(shí)現(xiàn)多品種的個(gè)性化生產(chǎn)。要達(dá)到這個(gè)愿景，機(jī)器人和傳感器的結(jié)合是關(guān)鍵?，F(xiàn)在，人們都熱衷于討論人工智能，人工智能首先是建立在傳感器基礎(chǔ)之上的，因?yàn)楦杏|是人工智能發(fā)展的第一步，這足以見(jiàn)得在機(jī)器人上應(yīng)用傳感器的重要性。

因此，我把這三大問(wèn)題歸納為解決下一代工業(yè)機(jī)器人面臨的新挑戰(zhàn)，只有完美地解決了這三大問(wèn)題，工業(yè)機(jī)器人的智能化發(fā)展就會(huì)向前更進(jìn)一步。

下面，為大家介紹一下在改善這三大問(wèn)題上，我們所做的一些工作，不過(guò)，這僅僅是一個(gè)開(kāi)始，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。

席寧 香港大學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化講席教授、IEEE RAS侯任主席

讓編程變的更簡(jiǎn)單

首先，談到機(jī)器人編程方面。現(xiàn)在大家都知道，傳統(tǒng)的機(jī)器人編程方法使用起來(lái)特別的費(fèi)時(shí)，所以，能不能開(kāi)發(fā)一些更直觀、更方便的編程方法，在短時(shí)間內(nèi)高效率地為工業(yè)機(jī)器人編程呢？基于此，我們開(kāi)發(fā)了一種基于CAD模型的編程方法。怎么理解呢？也就是說(shuō)，我們用機(jī)器人生產(chǎn)制造產(chǎn)品，得有這個(gè)產(chǎn)品的CAD設(shè)計(jì)模型和圖紙，如果機(jī)器人可以直接理解這個(gè)CAD模型，就可以減少很多編程過(guò)程，把原來(lái)的人工編程變成機(jī)器人自主的編程。

舉個(gè)3D打印的例子，在3D打印的過(guò)程中，機(jī)器人握著一桿噴槍，把玻璃纖維噴射成一個(gè)汽車車廂。在噴射過(guò)程中，機(jī)器人的軌跡非常重要，因?yàn)樗囊苿?dòng)速度和位置，決定了有多少的纖維噴射到車廂上。由于車廂設(shè)計(jì)的不同，有的地方較厚，有的地方相對(duì)較薄，所以這個(gè)編程過(guò)程非常復(fù)雜。如果采用人工編程，可能這一個(gè)零件就需要花費(fèi)1~2周的時(shí)間，還要經(jīng)過(guò)不斷的測(cè)試。但是，當(dāng)把這個(gè)CAD模型直接導(dǎo)入到程序中，計(jì)算機(jī)就可以自動(dòng)產(chǎn)生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，2~3個(gè)小時(shí)就能把整個(gè)程序編好。

目前，這個(gè)基于CAD模型的編程方法已在汽車公司得到了應(yīng)用。同時(shí)，它也可以應(yīng)用到更復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程中去。例如用3D打印沖模。打印汽車零件基本只需考慮控制材料的分布狀況，而打印沖模的過(guò)程是一個(gè)噴射高溫熔化金屬的過(guò)程，不僅要考慮金屬材料的分布，還要考慮溫度的分布，一旦出現(xiàn)偏差，就會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的機(jī)械性能。所以，在規(guī)劃?rùn)C(jī)器人軌跡的時(shí)候把這些因素都要考慮進(jìn)去，這是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，人工編程幾乎實(shí)現(xiàn)不了，而基于CAD模型的編程方法就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程。

同時(shí)，這個(gè)方法不僅可以基于設(shè)計(jì)，還可以基于傳感器進(jìn)行編程。我們?cè)诩庸ひ粋€(gè)零件前，先要對(duì)它進(jìn)行測(cè)量，基于這個(gè)測(cè)量結(jié)果可以產(chǎn)生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而對(duì)這個(gè)零件進(jìn)行加工，比如打磨。我們知道機(jī)器人的打磨被應(yīng)用到很多方面，而且編程很復(fù)雜，并且最終的程序都需要測(cè)試打磨幾百個(gè)零件，而使用自帶檢測(cè)傳感器的機(jī)器人之后，會(huì)簡(jiǎn)單許多。機(jī)器人可以通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)零件需要打磨的部位，隨后計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成一個(gè)打磨的軌跡，并且在打磨完成后對(duì)打磨的部位重新進(jìn)行檢測(cè)和校正。所以，我們把原來(lái)的一個(gè)開(kāi)環(huán)過(guò)程變成了一個(gè)閉環(huán)過(guò)程，不僅降低了編程時(shí)間，而且也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

當(dāng)然，機(jī)器人的應(yīng)用還有很多方面，比如服務(wù)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人的編程中沒(méi)有CAD模型，但它可以和人直接進(jìn)行交互。人和人之間的交流是用語(yǔ)言，所以要讓機(jī)器人能夠理解人的語(yǔ)言，用人的語(yǔ)言直接進(jìn)行編程，這對(duì)于未來(lái)的服務(wù)機(jī)器人特別重要。然而，自從人工智能概念出現(xiàn)以來(lái)，如何使機(jī)器人理解人的自然語(yǔ)言一直就是個(gè)難題，如何解決這個(gè)難題呢？其實(shí)，我們有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，那就是機(jī)器人攜帶的傳感器。這些傳感器可以把簡(jiǎn)單的語(yǔ)言理解變成一種互惠反饋的過(guò)程，把原來(lái)簡(jiǎn)單的底層反饋控制拓展到高層，拓展到自然語(yǔ)言的處理過(guò)程中，這樣一來(lái)，機(jī)器人的語(yǔ)言理解就變得相對(duì)準(zhǔn)確，編程的過(guò)程也變得相對(duì)容易了。

從傳統(tǒng)視角看，機(jī)器人編程變成了一個(gè)更直觀的編程，人類可以把自己的設(shè)計(jì)思想通過(guò)語(yǔ)言告訴機(jī)器人。

機(jī)器人應(yīng)該“自力更生”

接下來(lái)，談?wù)勅绾巫寵C(jī)器人更容易地和環(huán)境建立聯(lián)系，更加容易自我校正。許多人簡(jiǎn)單地認(rèn)為，買了機(jī)器人之后就可以代替人進(jìn)行工作，但是，真正將機(jī)器人買來(lái)之后卻很失望，因?yàn)橐箼C(jī)器人能夠真正代替人工作，是件很麻煩的事情。機(jī)器人有自己的控制坐標(biāo)，用戶根本不理解如何將機(jī)器人的坐標(biāo)和工廠的坐標(biāo)建立起聯(lián)系。所以機(jī)器人被安裝好之后，怎樣讓它能認(rèn)識(shí)環(huán)境，能與環(huán)境交互，能與工廠在同一坐標(biāo)里進(jìn)行工作，這些對(duì)用戶來(lái)說(shuō)都是非常重要。迅速地了解環(huán)境是機(jī)器人“進(jìn)化”很重要的一方面，也是機(jī)器人智能化的一大標(biāo)志。因此，我們?cè)谶@方面也做了一些工作。

過(guò)去，機(jī)器人的校正有兩種。一種是校正機(jī)器人和環(huán)境之間的關(guān)系，就是將機(jī)器人的坐標(biāo)和環(huán)境的坐標(biāo)概念性地結(jié)合，另一種是校正機(jī)器人本身的坐標(biāo)，這些因素都需要通過(guò)校正來(lái)確認(rèn)，并且過(guò)程都非常復(fù)雜。用戶很難做機(jī)器人的校正，需要機(jī)器人的廠商來(lái)做，這對(duì)于機(jī)器人的用戶而言，成本和時(shí)間就大大增加了。

那么，用戶為什么很難做機(jī)器人的校正呢？過(guò)去，校正機(jī)器人的方法是基于點(diǎn)，我們會(huì)把機(jī)器人在空間運(yùn)動(dòng)的軌跡通過(guò)記錄點(diǎn)的方式保存下來(lái)，通過(guò)這些點(diǎn)再把轉(zhuǎn)換成的坐標(biāo)計(jì)算出來(lái)。這種方法相當(dāng)復(fù)雜，因?yàn)樾枰涗浐芏帱c(diǎn)才能計(jì)算出來(lái)這個(gè)坐標(biāo)。現(xiàn)在，我們開(kāi)發(fā)了一種Line—based Calibration的方法，這種方法可以直接記錄已知線。線所承載的數(shù)據(jù)量比點(diǎn)要多的多，這樣在校正機(jī)器人的過(guò)程中就會(huì)方便許多。因此，我們做了一個(gè)相應(yīng)的裝置安裝在機(jī)器人上，機(jī)器人可以進(jìn)行重復(fù)精度的校正，這在很大程度上解決了用戶的難題。

解放質(zhì)檢員不是夢(mèng)

最后，我們談?wù)勗鯓幼寵C(jī)器人和傳感器進(jìn)行結(jié)合，提高機(jī)器人的智能化。在生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)我們要測(cè)量雙坐標(biāo)的尺寸，傳統(tǒng)的方法是利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)地進(jìn)行測(cè)量，這樣一來(lái)，成本就居高不下。假如我們?cè)跈C(jī)器人上嵌入傳感器，傳感器可以對(duì)一片面積進(jìn)行拍照測(cè)量，這樣就能把高密度的三維點(diǎn)云呈現(xiàn)出來(lái)，而且成本低、效率高。

以檢查高鐵為例，鐵路公司要在夜里派出很多的車輛檢查人員來(lái)確保列車的安全性，特別費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以我們想，可不可以直接通過(guò)機(jī)器人搭載著傳感器進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)和列車CAD模型進(jìn)行比對(duì)找出列車可能存在的問(wèn)題。因此，我們專門開(kāi)發(fā)了一款檢測(cè)列車的機(jī)器人，它可以靈活地伸到車廂底部，通過(guò)搭載的傳感器拍攝大面積的照片來(lái)和CAD模型進(jìn)行對(duì)比，快速對(duì)整個(gè)車廂進(jìn)行安全檢測(cè)，不僅效率高，而且精度高。

再以汽車座椅的生產(chǎn)來(lái)舉例。過(guò)去，汽車座椅的軟硬舒適程度需要質(zhì)檢員一個(gè)一個(gè)地進(jìn)行觸摸檢測(cè)，再通過(guò)質(zhì)檢員感性的主觀判斷打一個(gè)分?jǐn)?shù)，由此判斷這個(gè)座椅是否合格。眾所周知，汽車的配件都是由汽車服務(wù)商來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)，那么大批量的座椅生產(chǎn)一定有一個(gè)量化的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，那么質(zhì)檢員自身做出的判斷會(huì)存在很大的誤差。我們就通過(guò)機(jī)器人搭載傳感器的方式對(duì)座椅的軟硬和光滑程度等十幾項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，減小誤差的同時(shí)，也提高了效率。目前，這種檢測(cè)方式已經(jīng)在墨西哥的汽車工廠進(jìn)行使用，并且數(shù)據(jù)可以傳回美國(guó)，也就說(shuō)，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。同時(shí)，這樣的監(jiān)測(cè)方式還可以實(shí)現(xiàn)客戶的個(gè)性化需求。比如，客戶可以通過(guò)自己的需求，量身定制一款適合自己的座椅。

通過(guò)這三個(gè)方面的具體案例講解，我想傳遞給大家一種思路，那就是在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，我們應(yīng)該從之前的三大技術(shù)挑戰(zhàn)中跳出來(lái)，看看將來(lái)還有什么新的技術(shù)挑戰(zhàn)，如何去解決這些挑戰(zhàn)，使得目前的機(jī)器人真正成為我們理想中的智能化機(jī)器人，幫助人類去探索未知世界。

（根據(jù)作者近期演講整理，未經(jīng)本人確認(rèn)。）