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機(jī)器人能夠多大程度地接近人類?



迭代進(jìn)化的乒乓球機(jī)器人“FORPHEUS”的開發(fā)人員訪談(前篇)




作為歐姆龍核心技術(shù)的體現(xiàn),乒乓球機(jī)器人“FORPHEUS”每年都在不斷升級。

第五代FORPHEUS采用了通過削球和上旋球回球的先進(jìn)技術(shù)、高精準(zhǔn)預(yù)測對手打球動作的技術(shù),并搭載了適合每一名球員的陪練功能。歐姆龍距離“人機(jī)完美默契”所需的“激發(fā)人類能力的機(jī)器人”的目標(biāo)又近了一步。FORPHEUS的研發(fā)團(tuán)隊聚集了5名技術(shù)人員,其中有兩人還是剛進(jìn)公司的新員工。公司希望的研發(fā)時間是9個月。下面,我們將近距離了解研發(fā)的經(jīng)過,看一看他們在這段時間都遇到了什么挑戰(zhàn),又取得了什么成果。

(成員介紹)

團(tuán)隊主管 八瀨 哲志 (嵌入式系統(tǒng)研發(fā)中心 無線與嵌入研究室) (照片中間)

硬件/控制負(fù)責(zé)人 淺井 恭平 (智能系統(tǒng)研發(fā)中心 AI控制研究室) (左起第二位)

控制負(fù)責(zé)人 劉 曉俊 (智能系統(tǒng)研發(fā)中心 AI控制研究室) (最左側(cè))

視覺負(fù)責(zé)人 中山 雅宗 (傳感研發(fā)中心 圖像傳感研究室) (右起第二位)

視覺負(fù)責(zé)人 佐佐木 勇輝 (傳感研發(fā)中心 圖像傳感研究室) (最右側(cè))


挑戰(zhàn)全球首款“如人類手肘般活動的機(jī)械臂”

——據(jù)說第五代的研發(fā)課題是“KURO-OBI(黑帶)~專業(yè)球員和教練~”。為什么會確定這樣一個課題呢?

八瀨:我們研發(fā)FORPHEUS的目的是希望人們通過體驗來了解和共同感受歐姆龍力求實現(xiàn)的“人機(jī)完美默契”這一未來愿景?!叭伺c機(jī)械融合”是指人與機(jī)械互相學(xué)習(xí),共同成長的狀態(tài)。要提高選手的乒乓球能力,就需要根據(jù)每一個人的情況進(jìn)行陪練,為此首先要求FORPHEUS本身就是一位“專業(yè)球員”,而且還要成為一位“專業(yè)教練”。


——要成為“專家”,具體都進(jìn)行了哪些升級?

淺井:我們讓FORPHEUS具備了“削球和上旋球回球”的能力。為此我們需要從硬件上進(jìn)行調(diào)整。我們所用的拾取與放置(Pick and Place)※機(jī)器人能夠做出向前推動球拍擊球的動作,但向上揮拍的動作不夠,因此我們考慮增加一根軸看看效果,于是我們在關(guān)節(jié)上增加了一根軸,從而達(dá)到了“如人類手肘般活動”的效果。

八瀨:除了乒乓球外,拾取與放置的目標(biāo)是能夠像人手那樣進(jìn)行精細(xì)作業(yè)。這意味著我們要想辦法在硬件上做到類似人類肩部到手指的功能,這對我們來說是一個挑戰(zhàn)。

※拾取與放置(Pick and Place)……工廠自動化中讓機(jī)械臂抓起特定位置的物品并搬運到特定位置的機(jī)構(gòu)


——團(tuán)隊中有硬件方面的專家嗎?

淺井:新來的劉曉俊在大學(xué)學(xué)的是硬件,但我們開始研發(fā)的時候他還沒有加入團(tuán)隊,那時候硬件方面基本都是我在做。我是學(xué)信息處理的,硬件設(shè)計并不在行,甚至都沒有接觸過,做起來非常痛苦。


——那真是不容易啊。哪些方面比較棘手呢?

淺井:市面上有無數(shù)種電機(jī)和減速機(jī),要從中選出最合適的非常耗費時間。電機(jī)控制也是,最開始只是非常簡單的動作就會使軸振動,我們花了一兩周的時間去查明原因。因為過去沒有那種形狀的機(jī)械臂。相關(guān)資料也沒有,我們只能每天反復(fù)嘗試并總結(jié)經(jīng)驗。

八瀨:除了改善硬件外,如何讓硬件動起來也是一項重大課題。乒乓球是一項需要快速揮拍的運動。只有在幾十毫秒,甚至幾毫秒的高精度控制下才能順利揮拍擊球。我們在制作兼顧速度和精度的硬件,以及為大限度發(fā)揮硬件性能設(shè)計算法方面耗費了大量時間。

淺井:例如,乒乓球的上旋球是從下往上揮拍使球旋轉(zhuǎn),而向機(jī)器人發(fā)送什么指令,讓機(jī)器人做出什么動作,世界上還沒有人在進(jìn)行這些研究,如果控制球拍的多軸機(jī)械臂是全球首款,那么控制機(jī)械臂活動的算法也是獨一無二的。給人的感覺是我們闖入了沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的世界?;蛟S其他方法也有解,但在有限的研發(fā)時間內(nèi)做到現(xiàn)在這一步也算是一種好的方案了。



能夠靈巧揮拍的多軸機(jī)械臂,使軸像人的手肘和手腕般活動


劉:我和淺井正好相反,我在大學(xué)學(xué)的是機(jī)械,進(jìn)公司前沒有思考和實施算法的經(jīng)驗。所以花費了非常多的時間……即便如此也必須得趕在規(guī)定的時間拿出成果。從這種壓力中放松下來時,我參加了在老家上海舉行的進(jìn)博會,展出了上一代乒乓球機(jī)器人。


——中國是乒乓球的發(fā)源地,觀眾好像也很嚴(yán)格吧。

劉:他們的要求很高,比如“能不能再打快點?”,“扣個球看看”。這讓我真實感受到,如果自己不努力實施算法就無法讓他們知道乒乓球機(jī)器人的厲害之處,這反而激勵了我。現(xiàn)在的第五代機(jī)器人應(yīng)該能夠滿足想要“打得更快”的觀眾。

淺井:第五代機(jī)器人在1月的CES上首次亮相,很多人注意到機(jī)器人“在拉旋轉(zhuǎn)球”、“手腕的動作有點奇怪”這些細(xì)節(jié)。在4月的漢諾威工業(yè)博覽會上,德國總理默克爾也到現(xiàn)場觀看,所有的艱辛都化成了喜悅。


研發(fā)團(tuán)隊在CES2019現(xiàn)場



成為和人類一樣具有出色回球能力的機(jī)器人

——除了機(jī)械臂外,第五代還增加了攝像頭的數(shù)量吧?

中山:乒乓球的動作富于變化,如果只有一臺攝像頭,就無法順利拍到需要的動作。例如揮拍的時候,身體會妨礙攝像頭拍攝手部的動作。為此,我們將拍攝人的動作的攝像頭增加到了兩個。

此外,為了判斷人的擊球方向,除了身體的動作外,還需要感知人持拍的位置和方向,于是我們又新增加了拍攝球拍的攝像頭。這部分圖像處理由新加入的佐佐木負(fù)責(zé)。


此次追加的拍攝球拍的攝像頭



——佐佐木有圖像處理的經(jīng)驗嗎?

佐佐木:我在大學(xué)做過程序設(shè)計,但圖像處理還是第一次。首先比較棘手的是拍攝球拍花費了非常多的時間。

八瀨:在機(jī)器人看來,球拍非常小。而且每次展會的環(huán)境都在變化。燈光環(huán)境各不相同,觀眾的動作和服裝的顏色也大相徑庭。在這樣的環(huán)境中判斷球拍,并為驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整是很不容易的。


——即便只是聽你講,也能想象到難度之大。

佐佐木:不斷追求精度也是首次挑戰(zhàn)。上大學(xué)的時候做出差不多的東西提交上去就結(jié)束了,但現(xiàn)在,如果我制作的數(shù)據(jù)精度不夠,就無法有效控制機(jī)器人。從未想到制作數(shù)據(jù)后不斷提高精度的工作是如此耗費時間。


正在校準(zhǔn)攝像頭的佐佐木



中山:根據(jù)球拍的標(biāo)記判斷球拍的方向時,用剛開始研發(fā)時的算法是無法準(zhǔn)確判斷球拍方向的。因此,佐佐木在追求更高的精度,同時我則修改了算法,以便在數(shù)據(jù)精度不高的情況下也能判斷擊球方向。

此外,球拍擊球的瞬間,由于球和標(biāo)記重疊,無法計量球拍的數(shù)據(jù)。也就是說只有球拍擊球前的數(shù)據(jù)。我們也嘗試了各種算法來預(yù)測球拍和球的運動。經(jīng)過反復(fù)嘗試,我們構(gòu)建了一個系統(tǒng),能夠在各種人和各種持拍方式的情況下或多或少地預(yù)測球拍和球的運動,從而能夠在擊球前高精度地預(yù)測擊球線路。我們堅信,機(jī)器人事先掌握預(yù)測線路后,已經(jīng)能夠近似于人那樣打出高質(zhì)量的回球。


——真厲害。正因為如此才會在意體驗者的感受吧?

佐佐木:對于觀眾而言,視覺方面的研發(fā)成果是容易注意到的。在CES上,有的觀眾對這部分成果提問,有的觀眾拍照,反響很不錯。

中山:我最高興的是聽到觀眾說“和去年大不一樣”、“不是改善,而是進(jìn)化”。我覺得他們能夠很好地理解我們采用的技術(shù)和實現(xiàn)的功能,并且能夠樂在其中。


——研發(fā)人員克服艱辛,推出了第五代FORPHEUS。那么,在未來等待著的是怎樣的幸福未來呢??。ê笃┐m(xù)。


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