在工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)機(jī)械臂的使用已經(jīng)有六十多年，它們主要依靠快速、精準(zhǔn)的位置控制來完成運(yùn)行“固定軌跡”就可以實(shí)現(xiàn)的任務(wù);九十年代起，行業(yè)內(nèi)興起了對(duì)力控技術(shù)的研究，學(xué)術(shù)的成果在之后逐步轉(zhuǎn)化為如今市場(chǎng)上的協(xié)作機(jī)器人、自適應(yīng)機(jī)器人等。
那么，力控機(jī)器人是如何一步步發(fā)展至今?現(xiàn)在市場(chǎng)中最優(yōu)秀的力控機(jī)器人究竟能做到什么程度?未來的力控機(jī)器人又將朝什么方向發(fā)展、怎樣造福于產(chǎn)業(yè)和社會(huì)?
在2020非夕百臺(tái)自適應(yīng)機(jī)器人投產(chǎn)下線之際，非夕邀請(qǐng)了學(xué)術(shù)和行業(yè)圈的大咖們共同對(duì)上述問題進(jìn)行了闡述和探討。相信借由他們的經(jīng)驗(yàn)和見解，我們能一窺力控機(jī)器人領(lǐng)域的過去、現(xiàn)在與未來。
演講主題：柔順力控機(jī)器人的演進(jìn)與應(yīng)用
Oussama Khatib
機(jī)器人力控領(lǐng)域技術(shù)的核心奠基人，世界機(jī)器人研究基金會(huì)(IFRR)主席、斯坦福大學(xué)智能機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室主任
(以下內(nèi)容截取自O(shè)ussama Khatib教授的分享演講，圖片出自其演示材料，部分內(nèi)容有信息補(bǔ)充)
為什么需要柔順力控機(jī)器人?
當(dāng)今時(shí)代，很多機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用都不僅僅局限于工業(yè)場(chǎng)景，我們?cè)谒固垢５墓ぷ骶途劢褂谠S多機(jī)器人會(huì)與人和外部環(huán)境有交互的場(chǎng)景，包括醫(yī)療健康、生活及工作輔助、農(nóng)業(yè)及可持續(xù)營養(yǎng)、環(huán)境保護(hù)、遠(yuǎn)程應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)和任務(wù)等等。因此，未來的機(jī)器人對(duì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)、文化、社會(huì)的影響巨大，但它們不只局限于通信和移動(dòng)，而更多地與現(xiàn)實(shí)的交互相關(guān)。
過往在工業(yè)領(lǐng)域，由于設(shè)置了結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，我們可以依靠預(yù)設(shè)編程、使機(jī)器人重復(fù)工作來完成工作任務(wù)。然而，到了非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，線下軌跡編程就難以發(fā)揮作用了;此時(shí)的需求是，如何將機(jī)器人編程提升到抽象化的程度，使其具備擬人的技巧，從而可以在未知的、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作。而這樣的機(jī)器人，就是柔順力控機(jī)器人。
柔順力控機(jī)器人的歷史簡(jiǎn)述
斯坦福實(shí)驗(yàn)室從90年代中期起，就以人的動(dòng)作為原型給機(jī)器人建模，由此發(fā)現(xiàn)柔順機(jī)器人是未來研究的關(guān)鍵;1990-95年，我們發(fā)明了第一臺(tái)柔順機(jī)器人ARTISAN;2000年，我們與德國航空航天中心DLR合作，其研發(fā)并生產(chǎn)出第一臺(tái)柔順機(jī)器人整機(jī)LWR(the light-weight robot)(到2003年，DLR推出了LWRⅢ);2004年，KUKA得到DLR的授權(quán)，推出了首個(gè)商用力控機(jī)器人產(chǎn)品(2008年，KUKA推出LB4;2013年，推出KUKA iiwa); 兩年前(2018年)，F(xiàn)ranka Emika帶來了自己的柔順機(jī)器人(Panda);2019年，F(xiàn)lexiv非夕發(fā)布世界首臺(tái)自適應(yīng)機(jī)器人(Rizon 4)，成為力控機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)擁有最先進(jìn)技術(shù)之一、能使機(jī)器人安全地與人和環(huán)境交互、操作、高效生產(chǎn)的公司。
如今，力控機(jī)器人的技術(shù)可達(dá)性已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但就我們觀察，人們多數(shù)仍然在使用傳統(tǒng)的軌跡控制，這就如同使用非常古舊的方式在給電腦編程。現(xiàn)在，我們需要高水平的抽象編程方式使得機(jī)器人擁有類人的技能、可以產(chǎn)生自主的行為，來應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工作任務(wù)和環(huán)境。
如何更好地應(yīng)用力控機(jī)器人?
首先，我們需要理解人的技能和行為策略。比如當(dāng)人在移動(dòng)物體時(shí)，我們可以從這個(gè)行為演示中獲取其結(jié)構(gòu)，再將結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)分從而理解其中的動(dòng)作和力的使用，之后將這種策略編碼輸入機(jī)器人系統(tǒng)中，并讓機(jī)器人來執(zhí)行這種策略。人類的行為策略豐富而強(qiáng)大，其中包括但不限于柔順力控、觸覺感知、雙手作業(yè)等等。
其次，我們也要理解與機(jī)器人交互的人本身。在斯坦福，我們?cè)?5年間持續(xù)地對(duì)人的肌肉和骨骼進(jìn)行建模，使用這些模型來復(fù)現(xiàn)和理解人的動(dòng)作，并將其可視化。在與人的交互中，大部分時(shí)候都會(huì)涉及到直接的物理接觸，因此安全尤為重要，而保證安全的最重要的一個(gè)基礎(chǔ)就是柔順性。
另一個(gè)機(jī)器人與人可以協(xié)同工作的情景是觸覺交互。對(duì)于那些危險(xiǎn)的地方，人們可以不用親自去，而是通過觸覺來將技巧、直覺、經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用在機(jī)器人上以完成工作任務(wù)。舉個(gè)例子，戶外電纜修理是非常危險(xiǎn)的工作，而在機(jī)器人具備感知和力控的基礎(chǔ)上，我們可以通過觸覺裝置操控機(jī)器人來完成對(duì)電纜的操作;那么ICU和大眾醫(yī)療呢?我們可以放置一臺(tái)機(jī)器人助手在ICU內(nèi)，它能完成簡(jiǎn)單的任務(wù)，將病患相關(guān)的信息傳輸給醫(yī)生，而醫(yī)生可以完全遠(yuǎn)程，一邊和其他專家討論、一邊通過觸覺裝置來和病人互動(dòng)。
以上這些都要求通過一個(gè)控制端來與現(xiàn)實(shí)世界交互，這個(gè)控制端連接著機(jī)器人的感知、視覺、觸覺、行動(dòng)，同時(shí)又具備類人的技能;從感知的特征中抽象出的技巧將進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)生的交互進(jìn)行分析和理解，周而復(fù)始，形成閉環(huán)。這個(gè)多層級(jí)的機(jī)器人控制架構(gòu)就是我們將感知與行動(dòng)、人與機(jī)器人連接起來的方式，它能夠使得機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能自主性、成功走向戶外和更復(fù)雜的環(huán)境。
Ocean One & Ocean One?
OceanOne就是機(jī)器人在更開放環(huán)境中工作的例子。我們使用Ocean One這樣一個(gè)機(jī)器人去到地中海下100多米的深處，在法國國王路易十四的沉船上探索搜尋，而人們?cè)谒线h(yuǎn)程監(jiān)控和操控它?，F(xiàn)在，我們繼續(xù)在做能使這個(gè)機(jī)器人下潛到1千米深度的項(xiàng)目，我們叫它Ocean One?，這其中的技術(shù)概念同樣是構(gòu)建機(jī)器人的自主性、并通過觸覺互動(dòng)連接人與機(jī)器人，做到這些，就一定需要柔順性和力覺控制。
圓桌論壇 · 學(xué)術(shù)圈
張小飛：非常高興在珠三角的制造重鎮(zhèn)佛山參加這樣一次別開生面的高峰論壇。我想請(qǐng)四位來解讀一下，目前從研究領(lǐng)域來看，力控機(jī)器人是怎樣的一個(gè)現(xiàn)在和未來?
盧策吾：我就從人工智能角度講。人工智能和力覺其實(shí)是一個(gè)緊耦合的關(guān)系，力控是對(duì)智能模塊的一個(gè)底層的(東西)。力覺的基礎(chǔ)信號(hào)有非常強(qiáng)的遷移能力，會(huì)開啟視覺、力覺整個(gè)閉環(huán)的聯(lián)合學(xué)習(xí)，使得人工智能在新的維度上有非常穩(wěn)固的根基。
柳寧：從40代機(jī)器人出現(xiàn)開始，第一代是運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人，靠位置傳感器來工作，這個(gè)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)做的不錯(cuò);第二代就是所謂的力覺控制機(jī)器人，就是通過力控來保證(機(jī)器人)精確的感知和決策。接下來我覺得位置和力覺還要進(jìn)一步地融合，不僅要有力，還要有位置，再下面一代就是盧教授他們搞的，信息技術(shù)、人工智能和機(jī)器人結(jié)合。我們可以看到，從運(yùn)動(dòng)控制機(jī)器人、到力控機(jī)器人、到智能機(jī)器人，這是一個(gè)清晰的技術(shù)發(fā)展路線。
張小飛：因?yàn)槲覀円灿昧鞲衅鳎淌谀X得為什么我們非夕的力控和平常的不太一樣?
柳寧：非常關(guān)鍵的一個(gè)區(qū)別，就是力感知和力控制的精度。我們知道力非常復(fù)雜，它是一個(gè)六維量，而非夕機(jī)器人輕輕一拖就可以跑起來，表現(xiàn)非常好。傳感器技術(shù)的突破恐怕是力控機(jī)器人最核心的問題，我是這樣理解。
張小飛：熊蓉教授，從研究成果，主要是力控方面，到機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用這個(gè)跨度有多大?
熊蓉：力控實(shí)際上是機(jī)器人領(lǐng)域一直研究的一個(gè)主題，到2012年Rethink研發(fā)了第一代人機(jī)友好協(xié)作的產(chǎn)品，但是這類產(chǎn)品我們更多看到的是展示性的、供學(xué)校研究使用，比較難用到工業(yè)中，因?yàn)榫葘?shí)際上還是不夠的?，F(xiàn)在非夕力控的精度我覺得已經(jīng)非常高，運(yùn)動(dòng)非常流暢，這樣的力控精度已經(jīng)能打開很大的一些新應(yīng)用的市場(chǎng)了。
張小飛：任會(huì)長，從你的角度來看，這樣代際差比較大的產(chǎn)品跟傳統(tǒng)的機(jī)器人相比，在產(chǎn)業(yè)落地應(yīng)用方面會(huì)有什么特別之處?
任玉桐：首先機(jī)器人未來發(fā)展的方向應(yīng)該是三化——小型化、輕型化、柔性化，我看到非夕正在這個(gè)方向上去做;而以后我們?cè)跈C(jī)器人的生產(chǎn)制造方面，最高的目標(biāo)就是(達(dá)成)人機(jī)協(xié)作，人機(jī)協(xié)作就起碼要安全，力控做得好，安全性就能有保障，從這點(diǎn)來說，它適用的應(yīng)用也是非常廣泛的。
張小飛：說到力控機(jī)器人的應(yīng)用，從現(xiàn)在到未來，在你們腦海里能想到的是哪些領(lǐng)域可以有最突出的應(yīng)用?
盧策吾：其實(shí)我們講力控、智能，力控有點(diǎn)像人的小腦，智能有點(diǎn)像人的大腦，而隨著機(jī)器人智能程度的提高，它們會(huì)賦能到各個(gè)行業(yè)。我們需要看的是什么樣的行業(yè)更加的開放、不確定。第一個(gè)可能是工業(yè)，往下走，是比如本地生活、醫(yī)用;最后我們希望是能進(jìn)入家用，最難的其實(shí)是照顧老人和小孩，它需要檢測(cè)人體的關(guān)節(jié)。順便說一下，非夕的人體識(shí)別和論文引用率(在CVPR、ICCV上面)都是世界第一的。
柳寧：場(chǎng)景的話，首先是在制造領(lǐng)域。比如說在編織行業(yè)，成果要求松緊適度，但是沒有一個(gè)數(shù)值定義了多少是松緊適度，這個(gè)時(shí)候就需要靈活智能。第二就是在醫(yī)療、按摩領(lǐng)域;還有就是我們說家庭，在家庭中很重要就是安全。所以我覺得應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)非常廣泛。
熊蓉：我說幾個(gè)具體的我接觸到的。一個(gè)是工業(yè)領(lǐng)域的拋光打磨，像一些汽車領(lǐng)域的配件高端打磨還是要靠人工的，也就是人工的力控精度能夠把握得更好，非夕現(xiàn)在這個(gè)精度就可以來完成這個(gè)領(lǐng)域的高端打磨;第二個(gè)就是在醫(yī)療領(lǐng)域，比如說微創(chuàng)手術(shù)、B超等方面，對(duì)機(jī)器人和人的接觸要求很高;第三就是一些軟性物體的操作，現(xiàn)在也是研究的熱點(diǎn)，同時(shí)像護(hù)理、像疫情期間咽拭子的采集。
圓桌論壇 · 產(chǎn)業(yè)圈
張小飛：剛才大家也談及了很多的應(yīng)用，那我們來看一下各位所處的行業(yè)中，力控機(jī)器人如何有更充分的應(yīng)用和貢獻(xiàn)，包括現(xiàn)在有哪些難點(diǎn)呢?
孫志強(qiáng)：機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展從之前的自動(dòng)化到信息化到現(xiàn)在的柔性化，對(duì)能夠保證應(yīng)用過程中的安全、柔性，以及在可適應(yīng)的環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)之間協(xié)作的產(chǎn)品的需求越來越多。舉個(gè)例子，豐田對(duì)許多解決方案的要求就是在短小精美的環(huán)境里面達(dá)成最高的效率，我今天看到非夕的產(chǎn)品信息化結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)柔性結(jié)構(gòu)，我認(rèn)為在短小精美的產(chǎn)業(yè)肯定用得到，像3C：通信電子、消費(fèi)電子、信息電子，和3品：化妝品、藥品、食品。
張小飛：沈崗博士以前領(lǐng)導(dǎo)發(fā)那科的技術(shù)部門，能不能把發(fā)那科的協(xié)作機(jī)器人和非夕的機(jī)器人做一個(gè)比較?
沈崗：發(fā)那科的那款協(xié)作機(jī)器人是當(dāng)時(shí)我們走了一個(gè)捷徑，將力覺傳感器裝到機(jī)械臂的底部來實(shí)現(xiàn)前端和部分手臂的力控，所以發(fā)那科協(xié)作機(jī)器人每個(gè)軸都是沒有力矩控制的。我認(rèn)為這種方式和軸末端使用力覺、力矩傳感器的方式，整體來說各有優(yōu)缺點(diǎn)。
張小飛：那朱總，力控技術(shù)在你們的四足機(jī)器人里到底發(fā)揮什么樣的作用?
朱秋國：其實(shí)(非夕)和我們可能有共通的想法，就是要讓機(jī)器人適應(yīng)更復(fù)雜的環(huán)境，非夕做的是跟人之間的這種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的一種交互，機(jī)械狗的話就是走向室外，這中間的關(guān)鍵點(diǎn)就是力控。我們的四足機(jī)器人交互的反饋用時(shí)大概是一個(gè)毫秒。另外我覺得非夕做的很好的地方在于，它真的從核心部件做到整機(jī)，再完成上層的整個(gè)層級(jí)的控制，再融入人工智能。從控制角度來說，力控本身就帶有智能的意味在里面，同時(shí)再加入人工智能，那我覺得它真的是一個(gè)非常智能化的產(chǎn)品。
張小飛：那接下來請(qǐng)世全談一下，自適應(yīng)機(jī)器人跟傳統(tǒng)的機(jī)器人，你覺得在技術(shù)上和功能上最大的差異是什么?差異大到什么樣的程度?
王世全：其實(shí)我們一直覺得我們?cè)谧鲆粋€(gè)互補(bǔ)性的技術(shù)。我們是非常致敬四大家族的，現(xiàn)有的傳統(tǒng)的機(jī)器人在速度、精度、準(zhǔn)確度等方面都無可比擬，我們目前則偏向接觸類的工作比較多，比如精密裝配、拋光打磨這一類的。我們?cè)诹胤矫娣浅Ｗ?，一方面我們極力地提高力控的精度和穩(wěn)定性，這需要很長時(shí)間的迭代，所以我們的研發(fā)周期從2016到現(xiàn)在持續(xù)了四年;另一方面，我們一直以來沒有太強(qiáng)調(diào)的是，非夕使用力控的邏輯。與傳統(tǒng)的軌跡或偏阻抗式或是精確軌跡+柔性末端的方式不同，我們從內(nèi)核規(guī)劃的層面用的就是力覺規(guī)劃，這個(gè)讓我們機(jī)器人工作的形態(tài)、邏輯(與其他工業(yè)機(jī)器人)有非常本質(zhì)的區(qū)別。
所以我舉制造業(yè)中的兩個(gè)細(xì)節(jié)例子：第一個(gè)是拋光打磨中工藝性的提升，傳統(tǒng)的拋光打磨需要對(duì)外殼做精確的建模、高剛度的機(jī)械臂、昂貴的視覺模塊、而且末端要單獨(dú)加上浮動(dòng)的打磨頭及加六維傳感器，整體設(shè)備成本非常高。那我們的邏輯是，自適應(yīng)機(jī)器人對(duì)這種不確定性直接就容忍了，直接模擬人在拋光過程中的手感，然后專注在工藝上去做突破;第二個(gè)例子是柔性化方面的提升，現(xiàn)在的3C行業(yè)有很多自動(dòng)化程度非常高的方案，但因?yàn)樗鼈兪欠菢?biāo)定制的生產(chǎn)線，換型時(shí)就需要用額外的工裝治具、二次定位攝像頭讓新的生產(chǎn)線可以精準(zhǔn)工作。而我們可以通過自適應(yīng)機(jī)器人對(duì)誤差的容忍度和智能可遷移性，節(jié)省掉換型換線時(shí)很多人力和設(shè)備的成本，因此我們方案的整體性價(jià)比包括柔性程度都有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
（轉(zhuǎn)載）
