多技術融合的機器人時代，背后都蘊含著哪些技術？

本刊編輯部

引 言

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

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

業(yè)界聲音

軟銀Pepper情感服務機器人發(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機器人在北京世界機器人大會上正式面向中國市場發(fā)布，其目前主要面向的商用領域如下：零售、機場、柜臺、銀行等。日本是一個對機器人有著特殊偏愛的國度，也是對人形機器人最早進行研究的地方，目前已取得長足的發(fā)展，但是受限于諸多因素，商用化進展緩慢。

廣義上講，Pepper機器人其實是一個復雜度很高的嵌入式系統(tǒng)，融合了機電控制、多傳感融合、圖像識別、語音識別與理解、定位與導航等技術。Pepper自帶情感識別引擎，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，并作出相應的反應，以達到情感交互的目的。

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

在機器人時代，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，就可以與任意一臺機器進行無障礙的交流，我們將用人類自己的語言以最自然的方式與數(shù)字世界進行交流。很多人會對機器人的能力感到恐慌，在可以預見的未來，我認為機器人不會對人類的工作造成較大的威脅，但是，簡單重復性的勞動被機器人逐步代替則是不可避免的。

淺談新機器人時代的操作系統(tǒng)技術北航機械工程及自動化學院教授 魏洪興

在2014年11月嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會舉辦的“工業(yè)4.0與機器人”專題研討會上，我做過關于“機器人操作系統(tǒng)與人機協(xié)作機器人”的報告。三年的時間過去了，機器人技術得到了突飛猛進的發(fā)展，各種創(chuàng)新的機器人產(chǎn)品層出不窮，我們已經(jīng)進入了一個新的機器人時代。

機器人是一門多學科交叉融合的技術，我們看到的很多酷炫的機器人產(chǎn)品背后都有很多關鍵技術的支撐，如運動控制、視覺識別、語音交互、AI深度學習等。從產(chǎn)品開發(fā)角度看，盡管各種機器人形態(tài)各異，功能千差萬別，但都是基于某種軟硬件平臺進行的二次開發(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時代的Windows操作系統(tǒng)與Intel的處理器(Wintel)，以及智能手機時代的Android或iOS操作系統(tǒng)與ARM架構的處理器的結(jié)合，在機器人時代，必然會出現(xiàn)“機器人操作系統(tǒng)+AI芯片的軟硬件平臺”。

當前的機器人領域，還沒有出現(xiàn)類似Windows和Android這樣產(chǎn)品級的機器人操作系統(tǒng)。由開源社區(qū)維護的ROS(Robot Operating System)是大家熟知的機器人操作系統(tǒng)平臺，但其成熟度和穩(wěn)定性尚不足以滿足復雜機器人產(chǎn)品對實時控制和人機交互的要求。因此，雖然目前機器人市場十分火熱，但從機器人操作系統(tǒng)這一關鍵平臺技術判斷，機器人產(chǎn)品技術完善的生態(tài)環(huán)境尚未形成，大多數(shù)服務機器人產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重，缺乏“殺手級”應用，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，其功能、可靠性和穩(wěn)定性達不到產(chǎn)品級要求，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操作系統(tǒng)平臺?？梢栽O想一下，未來的機器人操作系統(tǒng)應該也會參照Android的發(fā)展路線，一個互聯(lián)網(wǎng)巨頭把ROS納入麾下，將其打造成一個真正的產(chǎn)品平臺。期待機器人時代的操作系統(tǒng)+AI處理器軟硬件平臺的生態(tài)環(huán)境中，有中國企業(yè)的參與甚至主導。

創(chuàng)新傳感器技術在機器人中扮演重要角色艾邁斯半導體位置傳感器業(yè)務線高級產(chǎn)品市場經(jīng)理 Mark Donovan

控制和通信IC的不斷發(fā)展在當今尖端的制造業(yè)和消費機器人中發(fā)揮著重要的作用。然而，許多新興、小型且低成本傳感技術的出現(xiàn)與融合才是這些現(xiàn)代精密機器人的核心。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，將在促進下一代機器人的快速發(fā)展中發(fā)揮關鍵作用。

磁性位置傳感器在如今的機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)變壓器和光學編碼器，提供與機器人關節(jié)相關的馬達控制反饋、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)變壓器和光學編碼器相比，其成本也更低。

如今的機器人中會采用多種占位傳感技術。各種傳感器感知到的信息融合到一起，為機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的回避動作。激光雷達、超聲波、2D相機和3D視覺立體相機在如今新的高端工業(yè)機器人和協(xié)作機器人中都很常見。當它們的數(shù)據(jù)融合在一起時，機器人將擁有卓越的周邊環(huán)境感知意識，并能執(zhí)行如拾取和移動很小的物品等復雜的操作任務。

手勢傳感器也正被應用到當今最先進的機器人中，為用戶提供輔助的操作界面。例如，通過簡單的揮手或手勢，機器人或無人機就能收到指令并執(zhí)行相應的動作。

扭矩傳感器在如今新一代的機器人中獲得越來越多的應用。扭矩傳感器不僅用于機器人末端執(zhí)行器和夾持器中，也可應用于機器人的其他部分，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)測肢體的運動速度、檢測障礙物，并為機器人的中央處理器提供安全警示。例如，當機器人手臂碰撞到某個物體時，其中的扭矩傳感器就會感應到突發(fā)的物體撞擊阻力，機器人的安全控制軟件則會停止手臂運動，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)境傳感器也被應用于工業(yè)和消費機器人中，例如，能檢測與空氣質(zhì)量相關的揮發(fā)性有機化合物的環(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器人能夠持續(xù)、有效、安全地運行，也可以使人們通過機器人的監(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用于當今的自主式機器人中，幫助延長兩次充電間的運行時長，并確保鋰離子電池(現(xiàn)今自主式機器人常用的電池)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也被應用于穩(wěn)壓源以及機器人關節(jié)馬達的電能和熱管理。所有機器人的機載電子設備，如微處理器、傳感器和執(zhí)行器，均需要低噪聲、低紋波電源，以確保進行高效且準確的運作。

最新的機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、確保穩(wěn)壓器運行的精確且可靠的過溫監(jiān)測傳感器，以及電池管理設備中的電流傳感器。

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

編輯視角

可以看到，以軟銀Pepper機器人為代表的情感服務機器人發(fā)展空間廣闊。受到人工智能領域的加持，情感服務機器人會更加重視人機交互體驗，與人類的互動會更頻繁，如出現(xiàn)的語言類教育機器人等都是此類產(chǎn)品。不過，其價格昂貴，后續(xù)產(chǎn)品需要不斷升級，硬件維護和軟件更新都需要額外費用，消費者是否愿意買單是無法回避的問題。情感服務機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比。

2017世界機器人大會上，仿生機器人制造商Festo展出了可以飛行的空中水母奪人眼球，它有一個中央電機裝置和一個智能接收指令的機械裝置，由充滿氦氣的球形網(wǎng)構成，通過8個觸角在空氣中上下移動，可以通過內(nèi)置的軸承實現(xiàn)遠程操控，代表了工業(yè)自動化機器人發(fā)展的最高水準。隨著工業(yè)4.0 的發(fā)展，工業(yè)機器人的數(shù)字化轉(zhuǎn)型會越來越快速，相較于服務機器人的發(fā)展會更成熟和穩(wěn)定。

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