多技術(shù)融合的機(jī)器人時(shí)代，背后都蘊(yùn)含著哪些技術(shù)？

本刊編輯部

引 言

機(jī)器人時(shí)代已來，智能機(jī)器人的發(fā)展處在多種深度融合的技術(shù)中。正如2017世界機(jī)器人大會(huì)展現(xiàn)的那樣，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，機(jī)器人不只是簡單的集成或者協(xié)同，也不再是單一的技術(shù)和產(chǎn)品,而是嵌入式、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等多種前沿技術(shù)的不斷融合,這是目前機(jī)器人發(fā)展最大的變化,也將是工業(yè)4.0的重要支撐。

大會(huì)上，會(huì)飛翔的Festo蜻蜓可用于農(nóng)作物播種，機(jī)械臂可以靈活地給客人定制一杯香濃的咖啡，會(huì)打羽毛球的移動(dòng)機(jī)器人可以和你精彩對(duì)打……顯而易見，我們的生活和工作中，將會(huì)有越來越多的機(jī)器人參與其中。機(jī)器人產(chǎn)品的背后都融合了哪些技術(shù)？其中，嵌入式技術(shù)發(fā)揮了哪些重要作用？未來，機(jī)器人如何更好地感知世界、服務(wù)人類？

業(yè)界聲音

軟銀Pepper情感服務(wù)機(jī)器人發(fā)力中國市場SoftBank Robotics中國大客戶經(jīng)理 陳觀養(yǎng)

2017年8月底，日本軟銀Pepper機(jī)器人在北京世界機(jī)器人大會(huì)上正式面向中國市場發(fā)布，其目前主要面向的商用領(lǐng)域如下：零售、機(jī)場、柜臺(tái)、銀行等。日本是一個(gè)對(duì)機(jī)器人有著特殊偏愛的國度，也是對(duì)人形機(jī)器人最早進(jìn)行研究的地方，目前已取得長足的發(fā)展，但是受限于諸多因素，商用化進(jìn)展緩慢。

廣義上講，Pepper機(jī)器人其實(shí)是一個(gè)復(fù)雜度很高的嵌入式系統(tǒng)，融合了機(jī)電控制、多傳感融合、圖像識(shí)別、語音識(shí)別與理解、定位與導(dǎo)航等技術(shù)。Pepper自帶情感識(shí)別引擎，能根據(jù)人臉部肌肉的變化、語音語速的變化等情感特征來辨別人類的情感，并作出相應(yīng)的反應(yīng)，以達(dá)到情感交互的目的。

軟銀機(jī)器人一直在致力于打造一個(gè)機(jī)器人發(fā)展的生態(tài)圈，把我們的機(jī)器人操作系統(tǒng)的開源性做得更好，讓更多各個(gè)行業(yè)的專業(yè)人士和公司參與到機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)當(dāng)中來，為大眾提供更多可選擇的、針對(duì)不同應(yīng)用場景的應(yīng)用。

在機(jī)器人時(shí)代，Pepper將成為人類與數(shù)字世界交流的接口，我們不再需要接受任何的培訓(xùn)，就可以與任意一臺(tái)機(jī)器進(jìn)行無障礙的交流，我們將用人類自己的語言以最自然的方式與數(shù)字世界進(jìn)行交流。很多人會(huì)對(duì)機(jī)器人的能力感到恐慌，在可以預(yù)見的未來，我認(rèn)為機(jī)器人不會(huì)對(duì)人類的工作造成較大的威脅，但是，簡單重復(fù)性的勞動(dòng)被機(jī)器人逐步代替則是不可避免的。

淺談新機(jī)器人時(shí)代的操作系統(tǒng)技術(shù)北航機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院教授 魏洪興

在2014年11月嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)舉辦的“工業(yè)4.0與機(jī)器人”專題研討會(huì)上，我做過關(guān)于“機(jī)器人操作系統(tǒng)與人機(jī)協(xié)作機(jī)器人”的報(bào)告。三年的時(shí)間過去了，機(jī)器人技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各種創(chuàng)新的機(jī)器人產(chǎn)品層出不窮，我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的機(jī)器人時(shí)代。

機(jī)器人是一門多學(xué)科交叉融合的技術(shù)，我們看到的很多酷炫的機(jī)器人產(chǎn)品背后都有很多關(guān)鍵技術(shù)的支撐，如運(yùn)動(dòng)控制、視覺識(shí)別、語音交互、AI深度學(xué)習(xí)等。從產(chǎn)品開發(fā)角度看，盡管各種機(jī)器人形態(tài)各異，功能千差萬別，但都是基于某種軟硬件平臺(tái)進(jìn)行的二次開發(fā)，以便保證產(chǎn)品性能、縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本。正如PC時(shí)代的Windows操作系統(tǒng)與Intel的處理器(Wintel)，以及智能手機(jī)時(shí)代的Android或iOS操作系統(tǒng)與ARM架構(gòu)的處理器的結(jié)合，在機(jī)器人時(shí)代，必然會(huì)出現(xiàn)“機(jī)器人操作系統(tǒng)+AI芯片的軟硬件平臺(tái)”。

當(dāng)前的機(jī)器人領(lǐng)域，還沒有出現(xiàn)類似Windows和Android這樣產(chǎn)品級(jí)的機(jī)器人操作系統(tǒng)。由開源社區(qū)維護(hù)的ROS(Robot Operating System)是大家熟知的機(jī)器人操作系統(tǒng)平臺(tái)，但其成熟度和穩(wěn)定性尚不足以滿足復(fù)雜機(jī)器人產(chǎn)品對(duì)實(shí)時(shí)控制和人機(jī)交互的要求。因此，雖然目前機(jī)器人市場十分火熱，但從機(jī)器人操作系統(tǒng)這一關(guān)鍵平臺(tái)技術(shù)判斷，機(jī)器人產(chǎn)品技術(shù)完善的生態(tài)環(huán)境尚未形成，大多數(shù)服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，缺乏“殺手級(jí)”應(yīng)用，不能滿足用戶的剛性需求。早期的Android操作系統(tǒng)也是由開源社區(qū)維護(hù)，其功能、可靠性和穩(wěn)定性達(dá)不到產(chǎn)品級(jí)要求，被收購后，谷歌投入了大量的人力物力才將其打造成目前的通用智能手機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)。可以設(shè)想一下，未來的機(jī)器人操作系統(tǒng)應(yīng)該也會(huì)參照Android的發(fā)展路線，一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)巨頭把ROS納入麾下，將其打造成一個(gè)真正的產(chǎn)品平臺(tái)。期待機(jī)器人時(shí)代的操作系統(tǒng)+AI處理器軟硬件平臺(tái)的生態(tài)環(huán)境中，有中國企業(yè)的參與甚至主導(dǎo)。

創(chuàng)新傳感器技術(shù)在機(jī)器人中扮演重要角色艾邁斯半導(dǎo)體位置傳感器業(yè)務(wù)線高級(jí)產(chǎn)品市場經(jīng)理 Mark Donovan

控制和通信IC的不斷發(fā)展在當(dāng)今尖端的制造業(yè)和消費(fèi)機(jī)器人中發(fā)揮著重要的作用。然而，許多新興、小型且低成本傳感技術(shù)的出現(xiàn)與融合才是這些現(xiàn)代精密機(jī)器人的核心。包括磁性位置傳感器、占位傳感器、手勢傳感器、扭矩傳感器、環(huán)境傳感器以及電源管理傳感器在內(nèi)的一些主要傳感技術(shù)，將在促進(jìn)下一代機(jī)器人的快速發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

磁性位置傳感器在如今的機(jī)器人中扮演著重要角色。磁性位置傳感器正逐漸取代旋轉(zhuǎn)變壓器和光學(xué)編碼器，提供與機(jī)器人關(guān)節(jié)相關(guān)的馬達(dá)控制反饋、齒輪和肢體位置反饋。高精確度與高分辨率的磁性位置傳感器僅消耗極少的電力且占用極少的空間，與旋轉(zhuǎn)變壓器和光學(xué)編碼器相比，其成本也更低。

如今的機(jī)器人中會(huì)采用多種占位傳感技術(shù)。各種傳感器感知到的信息融合到一起，為機(jī)器人帶來空間視覺傳感功能，用于檢測周邊是否有物體存在并作出相應(yīng)的回避動(dòng)作。激光雷達(dá)、超聲波、2D相機(jī)和3D視覺立體相機(jī)在如今新的高端工業(yè)機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人中都很常見。當(dāng)它們的數(shù)據(jù)融合在一起時(shí)，機(jī)器人將擁有卓越的周邊環(huán)境感知意識(shí)，并能執(zhí)行如拾取和移動(dòng)很小的物品等復(fù)雜的操作任務(wù)。

手勢傳感器也正被應(yīng)用到當(dāng)今最先進(jìn)的機(jī)器人中，為用戶提供輔助的操作界面。例如，通過簡單的揮手或手勢，機(jī)器人或無人機(jī)就能收到指令并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

扭矩傳感器在如今新一代的機(jī)器人中獲得越來越多的應(yīng)用。扭矩傳感器不僅用于機(jī)器人末端執(zhí)行器和夾持器中，也可應(yīng)用于機(jī)器人的其他部分，如軀干、手臂、腿和頭部。這些特定的扭矩傳感器可被用來監(jiān)測肢體的運(yùn)動(dòng)速度、檢測障礙物，并為機(jī)器人的中央處理器提供安全警示。例如，當(dāng)機(jī)器人手臂碰撞到某個(gè)物體時(shí)，其中的扭矩傳感器就會(huì)感應(yīng)到突發(fā)的物體撞擊阻力，機(jī)器人的安全控制軟件則會(huì)停止手臂運(yùn)動(dòng)，并將手臂收回到原位。不僅如此，扭矩傳感器也可與占位傳感器及環(huán)境傳感器等其他安全監(jiān)測傳感器一起使用，從而提供完整的安全區(qū)域監(jiān)控功能。

各種環(huán)境傳感器也被應(yīng)用于工業(yè)和消費(fèi)機(jī)器人中，例如，能檢測與空氣質(zhì)量相關(guān)的揮發(fā)性有機(jī)化合物的環(huán)境傳感器、溫度和濕度傳感器、壓力傳感器甚至檢測照明條件的傳感器。這些傳感器不僅有助于確保機(jī)器人能夠持續(xù)、有效、安全地運(yùn)行，也可以使人們通過機(jī)器人的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)不安全的環(huán)境狀況。

此外，電源管理傳感器也被應(yīng)用于當(dāng)今的自主式機(jī)器人中，幫助延長兩次充電間的運(yùn)行時(shí)長，并確保鋰離子電池(現(xiàn)今自主式機(jī)器人常用的電池)在充電以及放電過程中避免出現(xiàn)電池過熱的情況。電源管理傳感器同時(shí)也被應(yīng)用于穩(wěn)壓源以及機(jī)器人關(guān)節(jié)馬達(dá)的電能和熱管理。所有機(jī)器人的機(jī)載電子設(shè)備，如微處理器、傳感器和執(zhí)行器，均需要低噪聲、低紋波電源，以確保進(jìn)行高效且準(zhǔn)確的運(yùn)作。

最新的機(jī)器人電源管理傳感器解決方案，包括測算電池放電和充電的庫侖計(jì)、確保穩(wěn)壓器運(yùn)行的精確且可靠的過溫監(jiān)測傳感器，以及電池管理設(shè)備中的電流傳感器。

正是以上這些新的創(chuàng)新傳感器技術(shù)的集成和融合，如今的機(jī)器人才可以更獨(dú)立、更安全地運(yùn)行。隨著計(jì)算能力、軟件性能和人工智能的大幅提高和發(fā)展，以及新傳感器技術(shù)之間的協(xié)同合作，這些新的機(jī)器人可以更容易地被調(diào)整以廣泛地支持各種應(yīng)用。而且，它們將會(huì)比前幾代機(jī)器人更精確、更快地執(zhí)行任務(wù)。最后，它們可以更獨(dú)立自主地工作，并能與人類在家居、商業(yè)以及生產(chǎn)環(huán)境等更廣泛的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)協(xié)作。

編輯視角

可以看到，以軟銀Pepper機(jī)器人為代表的情感服務(wù)機(jī)器人發(fā)展空間廣闊。受到人工智能領(lǐng)域的加持，情感服務(wù)機(jī)器人會(huì)更加重視人機(jī)交互體驗(yàn)，與人類的互動(dòng)會(huì)更頻繁，如出現(xiàn)的語言類教育機(jī)器人等都是此類產(chǎn)品。不過，其價(jià)格昂貴，后續(xù)產(chǎn)品需要不斷升級(jí)，硬件維護(hù)和軟件更新都需要額外費(fèi)用，消費(fèi)者是否愿意買單是無法回避的問題。情感服務(wù)機(jī)器人想要真正地走入普通百姓家，還需要持續(xù)地推廣普及，產(chǎn)品也需要有更好的性價(jià)比。

2017世界機(jī)器人大會(huì)上，仿生機(jī)器人制造商Festo展出了可以飛行的空中水母奪人眼球，它有一個(gè)中央電機(jī)裝置和一個(gè)智能接收指令的機(jī)械裝置，由充滿氦氣的球形網(wǎng)構(gòu)成，通過8個(gè)觸角在空氣中上下移動(dòng)，可以通過內(nèi)置的軸承實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，代表了工業(yè)自動(dòng)化機(jī)器人發(fā)展的最高水準(zhǔn)。隨著工業(yè)4.0 的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的數(shù)字化轉(zhuǎn)型會(huì)越來越快速，相較于服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展會(huì)更成熟和穩(wěn)定。

機(jī)器人的操作系統(tǒng)之爭也是未來各大廠家要發(fā)力的重點(diǎn)，良好的人機(jī)互動(dòng)離不開操作系統(tǒng)+AI處理器軟硬件平臺(tái)，誰搶占了這一制高點(diǎn)，誰才有行業(yè)話語權(quán)。