如何用機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能
機(jī)械工程師
微信號(hào)：MechanicalEngineers
構(gòu)筑機(jī)械制造行業(yè)知識(shí)、資訊分享平臺(tái)，做機(jī)械工程師職業(yè)發(fā)展終身朋友。
引言
菅野茂樹(Shigeki Sugano)博士領(lǐng)導(dǎo)，早稻田大學(xué)
作者介紹：日本早稻田大學(xué)理工學(xué)術(shù)院創(chuàng)造理工學(xué)部綜合機(jī)械工學(xué)科教授、學(xué)部長。
研究圍繞人形機(jī)器人設(shè)計(jì)，靈巧且安全的機(jī)械手設(shè)計(jì)，以及機(jī)器人與人類的交流。
1991年以彈鋼琴的機(jī)器人WABOT-2獲得的日本機(jī)械工程學(xué)會(huì)技術(shù)獎(jiǎng)，2000年日本機(jī)械學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，2006年日本機(jī)械學(xué)會(huì)Fellow，2007年IEEE Fellow，2008年IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)（RAS）杰出服務(wù)獎(jiǎng)，2008年RSJ Fellow，2011年SICE Fellow，以及2012年RSJ杰出服務(wù)獎(jiǎng)。
演講題目：機(jī)器人領(lǐng)域中智能和機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)系
大家下午好！感謝你們邀請(qǐng)我，參加這樣一個(gè)重要的會(huì)議和論壇。我叫Shigeki Sugano，來自于早稻田大學(xué)，今天我演講的主題主要是機(jī)器人領(lǐng)域中智能和機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)系，可能在座的大部分人都是來自于人工智能，信息學(xué)或者計(jì)算機(jī)科學(xué)的行業(yè)。但是，今天我想給大家講的是，機(jī)械設(shè)計(jì)的重要性，看一看怎樣去用這個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)我們機(jī)器人的智能。
那今天我的演講主要包括這樣的幾部分內(nèi)容。我要簡單的介紹一下我們?cè)绲咎锎髮W(xué)機(jī)器人的一些研究成果，以及我們的一些智能機(jī)器人研究的方法和我們的軟件和系統(tǒng)，然后給大家講講我們機(jī)器人設(shè)計(jì)的歷史，最后介紹我們的控制和我們的一些智能。
1. 早稻田大學(xué)機(jī)器人的簡要?dú)v史
早稻田大學(xué)，1973年就發(fā)明了全球第一個(gè)類似人的機(jī)器人，1984年我們開發(fā)出了一個(gè)彈鋼琴的機(jī)器人，這個(gè)就是我當(dāng)時(shí)在做博士論文的時(shí)候參與這個(gè)項(xiàng)目。1992年的時(shí)候我們有類人的項(xiàng)目，包括通過這個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中，我們是可以和機(jī)器人先通過合作做一些項(xiàng)目，如兩足機(jī)器人和人類共生機(jī)器人Wendy。
但是，后來我們有了twendy-one系統(tǒng)，然后我們?cè)跒?zāi)難機(jī)器人領(lǐng)域引入了新的機(jī)器人（發(fā)明出來了一些研究災(zāi)難的這些人）。
這是人形機(jī)器人的歷史——WABOT-1，WABOT-2，Haday-2和WABIAN。Haday-2是人類共生型機(jī)器人。WABIAN是人形兩足機(jī)器人。
這個(gè)機(jī)器人就是1973年所開發(fā)的第一個(gè)機(jī)器人，叫做WABOT-1。1973年有什么特別的情況呢？日本有新干線，是1964年的時(shí)候發(fā)明的，1969年的時(shí)候，美國阿波羅登月，這都是1973年之前就出現(xiàn)這么重要的事件。大家知道為什么會(huì)有這樣的情況呢？新干線有一些特殊技術(shù)，可以通過電線和流體力學(xué)來獲得能量，其實(shí)這里面沒有電腦。日本的新干線中當(dāng)然會(huì)有微型計(jì)算機(jī)，但是它們計(jì)算的方式，還不能成為一個(gè)成熟的電腦，它們位于發(fā)動(dòng)機(jī)，用于保護(hù)人們，這些是很重要的技術(shù)，但它們不是智能、不是電腦科學(xué)。但是，人形機(jī)器人要求我們將所有不同種類的技術(shù)整合在一起，如機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)等等。所以要將這所有的技術(shù)到一個(gè)人形機(jī)器人身上是很難的。
這是早稻田大學(xué)機(jī)器人一步步發(fā)展的歷史。
最近，我們還在手術(shù)領(lǐng)域、交流領(lǐng)域、群體機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域等，開發(fā)出來很多不同類型的新型機(jī)器人。
2. 實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人和系統(tǒng)的方法
所以，下面跟大家講講實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人和系統(tǒng)的一些方法。我們其實(shí)有四種不同的方法：第一是認(rèn)知科學(xué)計(jì)算的方法；第二是結(jié)構(gòu)化環(huán)境的方法；第三是基于模塊式實(shí)際控制方法；第四是生物模擬機(jī)制和控制方法。我簡要介紹一下這四種方法。
大家可以看第一個(gè)，我們叫做認(rèn)知科學(xué)計(jì)算智能方法，主要是依據(jù)這種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，也包括深度學(xué)習(xí)，其中涉及了自組織映射神經(jīng)網(wǎng)（self-organization map）與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）這類最新的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)自主智能。這意味著，這個(gè)機(jī)器人它可以認(rèn)識(shí)到，理解當(dāng)前環(huán)境，也包括機(jī)器人本身?，F(xiàn)在有了文本和語言標(biāo)志化，機(jī)器人就可以表達(dá)。那就意味著機(jī)器人有了智能。但是，這個(gè)過程不是那么簡單的。因?yàn)檫@是一個(gè)學(xué)習(xí)過程而且人工智能網(wǎng)絡(luò)需要一些價(jià)值判定標(biāo)準(zhǔn)。
那么，我介紹一下WAMOEBA-2R系統(tǒng)，包括自我保護(hù)功能。通常情況下，機(jī)器人只有感應(yīng)系統(tǒng)和動(dòng)作系統(tǒng)，在大部分機(jī)械系統(tǒng)中。但是學(xué)習(xí)和智能需要標(biāo)準(zhǔn)，價(jià)值判定標(biāo)準(zhǔn)。我認(rèn)為，人和動(dòng)物有存活機(jī)制，自我保護(hù)功能（Self-Presevation Function）。所以這就是我想要介紹機(jī)器人的自我保護(hù)功能的原因，這樣它就能夠依據(jù)這個(gè)自我保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)來控制自己并與環(huán)境交流。
第二種方法是結(jié)構(gòu)化環(huán)境。這是一種結(jié)構(gòu)化環(huán)境的模式。2005年3月，這種模式由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部提出。這是一種日常生活支持系統(tǒng)模式。讓復(fù)雜的人形機(jī)器人服務(wù)人類是很困難的。這是實(shí)現(xiàn)環(huán)境機(jī)器人化的一次實(shí)驗(yàn)，這其中用很多的電腦實(shí)現(xiàn)，它跟電腦類似，但是它是一個(gè)機(jī)器人，有點(diǎn)像一個(gè)室內(nèi)機(jī)器人。所以房間內(nèi)有傳感器、有自動(dòng)化工具、有監(jiān)視器，并能夠幫助人們，這里面你能看到機(jī)器人，但是理念主要在于環(huán)境機(jī)器化，所以我們叫做結(jié)構(gòu)化環(huán)境。
這是一個(gè)日本W(wǎng)AMOEBA 機(jī)器人房間的整體圖像。這個(gè)理念將GNSS系統(tǒng)引入我們的室內(nèi)偽衛(wèi)星系統(tǒng)，GNSS是一個(gè)使用GPS信號(hào)的定位系統(tǒng)。這樣它將室內(nèi)和室外定位整合在一起。這種定位是非常重要的，它對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能、與人類合作或幫助人類來說很重要。
此外，家具也是實(shí)現(xiàn)了智能化。而且有家庭服務(wù)器，與家中所有端點(diǎn)連接，也與云連接。數(shù)據(jù)可以進(jìn)行上傳和下載，并與所有端點(diǎn)同步。這就是第二種途徑——結(jié)構(gòu)化環(huán)境。
這是一個(gè)具體的例子。
第三種途徑就是基于模塊式實(shí)際控制方法。它很容易，是不同類型智能的結(jié)合。我們?cè)跈C(jī)械系統(tǒng)中構(gòu)建模型。這里面有一個(gè)操作員，機(jī)器根據(jù)模型幫助操作員。操作員沒有依據(jù)有自己不同的模塊。其實(shí)機(jī)器人是幫助操作員工作的，操作員如果沒有相關(guān)技能，但是他也是可以做很多工作的，因?yàn)橛袡C(jī)器人的幫助。
所以這是一個(gè)模塊化的機(jī)器人的一個(gè)例子。
第四種途徑是生物模擬機(jī)制和控制方法。我開發(fā)了2007年TWENDY-ONE系統(tǒng)。它的設(shè)計(jì)是通過人類動(dòng)作分析、緊湊的手臂、外表、感知功能、全方向移動(dòng)性和電池運(yùn)作幾個(gè)部分構(gòu)成。
但是，重要性取決于硬件和軟件之間設(shè)計(jì)關(guān)系，特別是在形象、機(jī)械裝置、控制以及智能之間的關(guān)系。
所以，基于這一點(diǎn)，我想給大家講講相關(guān)的一些細(xì)節(jié)。
3. 機(jī)械設(shè)計(jì)歷史
在講這些細(xì)節(jié)之前，我還是想跟大家講講電腦它發(fā)展的，計(jì)算機(jī)發(fā)展歷史。這個(gè)歷史上有很重要的一個(gè)里程碑和節(jié)點(diǎn)。那么，在1952年的時(shí)候，當(dāng)時(shí)一個(gè)非常重要的美國的麻省理工大學(xué)使用超過200個(gè)真空管制作了一個(gè)數(shù)字控制機(jī)器（NC機(jī)器）。
在它之前，是沒有電腦和計(jì)算機(jī)存在的。這是一種由Heron制造的名為Auto-door的蒸汽機(jī)。你可以看到它使用熱量來運(yùn)作的簡單機(jī)制并非使用計(jì)算機(jī)。
另外一個(gè)非常重要的歷史節(jié)點(diǎn)是Jaquet-Droz設(shè)計(jì)的Automota，是17世紀(jì)發(fā)明的一個(gè)機(jī)器人。
可以看看一個(gè)內(nèi)部的狀況，有一個(gè)凸輪，這個(gè)其實(shí)就是一個(gè)程序的，他們實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，自動(dòng)化是用凸輪實(shí)現(xiàn)的。
讓我們來看一看這個(gè)圖，大家可以看，這是非常有名的一個(gè)唱歌的鳥的一個(gè)小機(jī)器，大家想想這個(gè)唱歌的鳥背后是什么機(jī)制呢？這個(gè)機(jī)制就是音樂盒的一個(gè)機(jī)制，它有一個(gè)凸輪，跟我們Automota的設(shè)計(jì)很類似，這也是一個(gè)設(shè)計(jì)的程序。
在日本1796年的時(shí)候，也是有一個(gè)非常有名的設(shè)計(jì)師，他們實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)門的設(shè)計(jì)。
所以依據(jù)這個(gè)歷史。
4.控制（智能）與形態(tài)（機(jī)械機(jī)制）
我從智能的角度介紹一下最近的技術(shù)，設(shè)計(jì)和形象對(duì)工廠或產(chǎn)業(yè)應(yīng)用在完成某些特定的任務(wù)時(shí)是很重要的。如圖所示，有笛卡爾坐標(biāo)的機(jī)器人在工廠中是很常見的，他很簡單，只有幾個(gè)自由度但是對(duì)于工廠自動(dòng)化來說是很好用的，所以很多工廠都引進(jìn)這種機(jī)器人。因而機(jī)器人的形象是很重要的。
同樣，機(jī)械手的設(shè)計(jì)和組裝型機(jī)器人也很重要。它們都是YASKAWA ELECTRIC CORPORATION 的MOTOMAN產(chǎn)品。所以這些產(chǎn)品中的抓取、控制、線路規(guī)劃等都需要人工智能。
這是一個(gè)例子。這就是一個(gè)內(nèi)部構(gòu)造，就是力控制的結(jié)構(gòu)圖。左邊是輸入，右邊是輸出。這是很復(fù)雜的一個(gè)機(jī)械圖。有沒有更簡單的方法呢？
這就是答案！這是我們機(jī)器人遠(yuǎn)中心柔順手，這其中只有機(jī)械原理來控制力，沒有復(fù)雜的控制辦法，沒有智能。
所以說機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和形態(tài)是很重要的。
現(xiàn)在日本有很多種類的機(jī)器人。
我介紹另一個(gè)例子——人類共生型機(jī)器人。那么完成這類機(jī)器人的關(guān)鍵點(diǎn)在于與人類共生和任務(wù)執(zhí)行能力，這其中又包括了在與人類共生層面上，低風(fēng)險(xiǎn)性、物理上的相互作用和交流；任務(wù)執(zhí)行能力層面上，靈巧性、力控制能力、移動(dòng)性和智能性。有很多種方式來完成人類共生型機(jī)器人。
這是一個(gè)擬人化手臂。
這里是HADALY-2的簡要視頻。它是想拿起那個(gè)綠色的物體。但是工作人員會(huì)在外部施加力，但是機(jī)器人還是依然可以抓住綠色的物體。所以，它看起來危險(xiǎn)但是并不危險(xiǎn)，因?yàn)閷?duì)于機(jī)器人來說，理解人類動(dòng)作比較容易。這種被動(dòng)模式對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人安全和無危險(xiǎn)來說很重要。所以如何實(shí)現(xiàn)它？
這里我們介紹一個(gè)機(jī)制，叫做MIA機(jī)制，就是機(jī)械阻抗調(diào)節(jié)器這樣的一個(gè)機(jī)制。傳統(tǒng)上來講，機(jī)器人學(xué)研究人員會(huì)設(shè)置很多的傳感器并使用人工智能來實(shí)現(xiàn)力控。這非常復(fù)雜。但是，如果我們引進(jìn)簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)，人們就可以實(shí)現(xiàn)它。這個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)識(shí)合規(guī)和標(biāo)識(shí)阻抗來理解人們。
這是一個(gè)例子。機(jī)械裝置被施加一個(gè)外力。裝置中心有一個(gè)彈簧片，它實(shí)現(xiàn)了標(biāo)識(shí)合規(guī)（ID Compliance），并通過引入一個(gè)斷開系統(tǒng)（breaksystem）來實(shí)現(xiàn)阻抗調(diào)節(jié)（impedance control）。所以我們并不需要太多的智能就可以實(shí)現(xiàn)這樣的過程。
這是一個(gè)例子。我們看到事實(shí)上，請(qǐng)看它手的動(dòng)作，它是非常靈活的，但是它一直抓著這個(gè)瓶子不放，同時(shí)它也還可以跟隨人動(dòng)作有所變化。如果你想要用傳感器或者其他方式來完成這個(gè)功能，這是非常困難的。但是通過引入機(jī)械設(shè)計(jì)裝置，很容易就是實(shí)現(xiàn)了這種功能。
這是這個(gè)機(jī)器人手臂部分的全面展示。扭力桿、旋轉(zhuǎn)式阻尼器、執(zhí)行器單位，這在機(jī)械設(shè)計(jì)上是很重要的。當(dāng)然這個(gè)機(jī)器人身上也有很多傳感器。我可以使用很多傳感器。但在引入傳感器之前，我們應(yīng)該在機(jī)器人中使用好的機(jī)械設(shè)計(jì)裝置，這很重要。
另外一個(gè)例子就是手。
為什么人的手是這么靈活的呢？有可能是手的形狀，手的“機(jī)械裝置”也是非常重要的。我們有指甲，有不同的手指頭的關(guān)節(jié)，然后我們能夠用手來完成很多工作。
所以機(jī)器人界的人，設(shè)計(jì)出機(jī)器人半球形指尖，我們把這個(gè)方法稱為機(jī)器學(xué)方法。
引入半球形指尖后，通過利用摩擦力的點(diǎn)觸式抓取，我們很容易分析抓取動(dòng)作。
然而，這種半球形指尖的設(shè)計(jì)并不能保證像人類的手一樣工作。
所以我們引進(jìn)生物機(jī)制的方法。這個(gè)手是擬人化的。
這樣的一種設(shè)計(jì)，能夠給我們帶來改變壓力的可能。我們看到一些照片，是400克的0度，400克的15度、30度等等，我們改變了它的角度，就改變了接觸面積，也就是壓力類型控制。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)煮雞蛋。
這就意味著設(shè)計(jì)是非常的關(guān)鍵的，因?yàn)闀r(shí)間的限制，我就要跳過一些內(nèi)容了。同時(shí)它還能夠完成以學(xué)習(xí)為主的控制，訓(xùn)練過程中容易收斂。
所以機(jī)械設(shè)計(jì)和人工智能的關(guān)系非常密切。
時(shí)間有限，我跳過一些地方。
最近，我們想把深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于機(jī)器人的交流，當(dāng)然如果說我還有機(jī)會(huì)，我也愿意和大家進(jìn)行更多的分享。
5. 總結(jié)
在這里我們也希望能夠做一個(gè)練習(xí)，讓我們來設(shè)計(jì)一個(gè)球形的機(jī)器人，它能夠一個(gè)全方向的運(yùn)動(dòng)的控制和道路自動(dòng)規(guī)劃?？梢宰龀鲞@個(gè)設(shè)計(jì)嗎？這是一種解決方案。它是Apple商店的商業(yè)產(chǎn)品，名字叫Sphero。它的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，這其中涉及到電腦、藍(lán)牙、輪子等。
然而，這里還有另外一種解決方案。所以，這個(gè)球可以在房間內(nèi)的任何方向滾動(dòng)。而且當(dāng)球碰到墻角時(shí)，很容易就可以脫離墻角，轉(zhuǎn)換方向。所以，請(qǐng)大家考慮一下這個(gè)球的機(jī)械設(shè)置，它的電腦設(shè)置，它內(nèi)部的傳感器。大家可以想象到嗎？
這就是其內(nèi)部裝置，非常的簡單，只有一個(gè)電池，還有一個(gè)電動(dòng)機(jī)，沒有任何的電腦設(shè)置。
事實(shí)上只有一個(gè)偏心軸電機(jī)，就可以讓它進(jìn)行這樣智能的移動(dòng)，沒有傳感器，沒有電腦。
為了實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器，我們應(yīng)該考慮到機(jī)器人最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和機(jī)制，這非常重要，也是我現(xiàn)在想要告訴大家的，謝謝！
聯(lián)系客服
