【早稻田大学专家】如何用机械设计实现机器智能（68PDF下载）

admin · 发表于 2017-3-6 20:10:18

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整理：张巨岩

菅野茂树(Shigeki Sugano)博士领导，早稻田大学

作者先容：日本早稻田大学理工学术院创造理工学部综合机器工学科教授、学部长。

研究围绕人形机器人设计，灵巧且安全的机器手设计，以及机器人与人类的交换。
1991年以弹钢琴的机器人WABOT-2获得的日本机器工程学会技能奖，2000年日本机器学会优秀论文奖，2006年日本机器学会Fellow，2007年IEEE Fellow，2008年IEEE机器人与自动化学会（RAS）杰出服务奖，2008年RSJ Fellow，2011年SICE Fellow，以及2012年RSJ杰出服务奖。

演讲题目：机器人范畴中智能和机器设计的干系

各人下午好！感谢你们邀请我，参加如许一个紧张的会议和论坛。我叫Shigeki  Sugano，来自于早稻田大学，今天我演讲的主题主要是机器人范畴中智能和机器设计的干系，可能在座的大部分人都是来自于人工智能，信息学或者盘算机科学的行业。但是，今天我想给各人讲的是，机器设计的紧张性，看一看怎样去用这个机器设计实现我们机器人的智能。

那今天我的演讲主要包罗如许的几部分内容。我要简朴的先容一下我们早稻田大学机器人的一些研究成果，以及我们的一些智能机器人研究的要领和我们的软件和体系，然后给各人讲讲我们机器人设计的汗青，最后先容我们的控制和我们的一些智能。

1.  早稻田大学机器人的简要汗青

早稻田大学，1973年就发明了全球第一个类似人的机器人，1984年我们开辟出了一个弹钢琴的机器人，这个就是我当时在做博士论文的时间参与这个项目。1992年的时间我们有类人的项目，包罗通过这个项目当中，我们是可以和机器人先通过合作做一些项目，如两足机器人和人类共生机器人Wendy。

但是，后来我们有了twendy-one体系，然后我们在灾难机器人范畴引入了新的机器人（发明出来了一些研究灾难的这些人）。

这是人形机器人的汗青——WABOT-1，WABOT-2，Haday-2和WABIAN。Haday-2是人类共生型机器人。WABIAN是人形两足机器人。

这个机器人就是1973年所开辟的第一个机器人，叫做WABOT-1。1973年有什么特别的情况呢？日本有新干线，是1964年的时间发明的，1969年的时间，美国阿波罗登月，这都是1973年之前就出现这么紧张的事件。各人知道为什么会有如许的情况呢？新干线有一些特殊技能，可以通过电线和流体力学来获得能量，其实这里面没有电脑。日本的新干线中固然会有微型盘算机，但是它们盘算的方式，还不能成为一个成熟的电脑，它们位于发动机，用于掩护人们，这些是很紧张的技能，但它们不是智能、不是电脑科学。但是，人形机器人要求我们将所有不同种类的技能整合在一起，如机器工程、电子工程、盘算机科学等等。以是要将这所有的技能到一个人形机器人身上是很难的。

这是早稻田大学机器人一步步生长的汗青。

最近，我们还在手术范畴、交换范畴、群体机器人学范畴等，开辟出来许多不同类型的新型机器人。

2.  实现智能机器人和体系的要领

以是，下面跟各人讲讲实现智能机器人和体系的一些要领。我们其实有四种不同的要领：第一是认知科学盘算的要领；第二是结构化情况的要领；第三是基于模块式实际控制要领；第四是生物模拟机制和控制要领。我简要先容一下这四种要领。

各人可以看第一个，我们叫做认知科学盘算智能要领，主要是依据这种人工神经网络盘算，也包罗深度学习，此中涉及了自组织映射神经网（self-organization map）与循环神经网络（RNN）这类最新的技能来实现自主智能。这意味着，这个机器人它可以认识到，理解当前情况，也包罗机器人本身。现在有了文本和语言标志化，机器人就可以表达。那就意味着机器人有了智能。但是，这个过程不是那么简朴的。因为这是一个学习过程而且人工智能网络需要一些价值判定尺度。

那么，我先容一下WAMOEBA-2R体系，包罗自我掩护功效。通常情况下，机器人只有感应体系和行动体系，在大部分机器体系中。但是学习和智能需要尺度，价值判定尺度。我认为，人和动物有存活机制，自我掩护功效（Self-Presevation Function）。以是这就是我想要先容机器人的自我掩护功效的原因，如许它就可以或许依据这个自我掩护的尺度来控制自己并与情况交换。

第二种要领是结构化情况。这是一种结构化情况的模式。2005年3月，这种模式由日本经济产业部提出。这是一种日常生活支持体系模式。让庞大的人形机器人服务人类是很困难的。这是实现情况机器人化的一次实验，这此中用许多的电脑实现，它跟电脑类似，但是它是一个机器人，有点像一个室内机器人。以是房间内有传感器、有自动化工具、有监视器，并可以或许资助人们，这里面你能看到机器人，但是理念主要在于情况机器化，以是我们叫做结构化情况。

这是一个日本WAMOEBA 机器人房间的整体图像。这个理念将GNSS体系引入我们的室内伪卫星体系，GNSS是一个利用GPS信号的定位体系。如许它将室内和室外定位整合在一起。这种定位是非常紧张的，它对付实现智能、与人类合作或资助人类来说很紧张。
此外，家具也是实现了智能化。而且有家庭服务器，与家中所有端点连接，也与云连接。数据可以进行上传和下载，并与所有端点同步。这就是第二种途径——结构化情况。

这是一个具体的例子。

第三种途径就是基于模块式实际控制要领。它很容易，是不同类型智能的结合。我们在机器体系中构建模型。这里面有一个操作员，机器根据模型资助操作员。操作员没有依据有自己不同的模块。其实机器人是资助操作员事情的，操作员如果没有相关技能，但是他也是可以做许多事情的，因为有机器人的资助。

以是这是一个模块化的机器人的一个例子。

第四种途径是生物模拟机制和控制要领。我开辟了2007年TWENDY-ONE体系。它的设计是通过人类行动分析、紧凑的手臂、外表、感知功效、全方向移动性和电池运作几个部分构成。

但是，紧张性取决于硬件和软件之间设计干系，特别是在形象、机器装置、控制以及智能之间的干系。

以是，基于这一点，我想给各人讲讲相关的一些细节。

3.  机器设计汗青

在讲这些细节之前，我还是想跟各人讲讲电脑它生长的，盘算机生长汗青。这个汗青上有很紧张的一个里程碑和节点。那么，在1952年的时间，当时一个非常紧张的美国的麻省理工大学利用超过200个真空管制作了一个数字控制机器（NC机器）。

在它之前，是没有电脑和盘算机存在的。这是一种由Heron制造的名为Auto-door的蒸汽机。你可以看到它利用热量来运作的简朴机制并非利用盘算机。

另外一个非常紧张的汗青节点是Jaquet-Droz设计的Automota，是17世纪发明的一个机器人。

可以看看一个内部的状况，有一个凸轮，这个其实就是一个程序的，他们实现了自动化，自动化是用凸轮实现的。

让我们来看一看这个图，各人可以看，这是非常有名的一个唱歌的鸟的一个小机器，各人想想这个唱歌的鸟背后是什么机制呢？这个机制就是音乐盒的一个机制，它有一个凸轮，跟我们Automota的设计很类似，这也是一个设计的程序。

在日本1796年的时间，也是有一个非常有名的设计师，他们实现了自动门的设计。

以是依据这个汗青。

4.控制（智能）与形态（机器机制）

我从智能的角度先容一下最近的技能，设计和形象对工场或产业应用在完成某些特定的任务时是很紧张的。如图所示，有笛卡尔坐标的机器人在工场中是很常见的，他很简朴，只有几个自由度但是对付工场自动化来说是很好用的，以是许多工场都引进这种机器人。因而机器人的形象是很紧张的。

同样，机器手的设计和组装型机器人也很紧张。它们都是YASKAWA ELECTRIC CORPORATION 的MOTOMAN产品。以是这些产品中的抓取、控制、线路规划等都需要人工智能。

这是一个例子。这就是一个内部构造，就是力控制的结构图。左边是输入，右边是输出。这是很庞大的一个机器图。有没有更简朴的要领呢？

这就是答案！这是我们机器人远中心柔顺手，这此中只有机器原理来控制力，没有庞大的控制办法，没有智能。

以是说机器人的结构和形态是很紧张的。

现在日本有许多种类的机器人。

我先容另一个例子——人类共生型机器人。那么完成这类机器人的关键点在于与人类共生和任务执行能力，这此中又包罗了在与人类共生层面上，低风险性、物理上的相互作用和交换；任务执行能力层面上，灵巧性、力控制能力、移动性和智能性。有许多种方式来完成人类共生型机器人。

这是一个拟人化手臂。

这里是HADALY-2的简要视频。它是想拿起那个绿色的物体。但是事情人员会在外部施加力，但是机器人还是依然可以抓住绿色的物体。以是，它看起来危险但是并不危险，因为对付机器人来说，理解人类行动比较容易。这种被动模式对付实现机器人安全和无危险来说很紧张。以是如何实现它？

这里我们先容一个机制，叫做MIA机制，就是机器阻抗调节器如许的一个机制。传统上来讲，机器人学研究人员会设置许多的传感器并利用人工智能来实现力控。这非常庞大。但是，如果我们引进简朴的机器设计，人们就可以实现它。这个机器设计机制可以或许实现标识合规和标识阻抗来理解人们。

这是一个例子。机器装置被施加一个外力。装置中心有一个弹簧片，它实现了标识合规（ID Compliance），并通过引入一个断开体系（breaksystem）来实现阻抗调节（impedance control）。以是我们并不需要太多的智能就可以实现如许的过程。

这是一个例子。我们看到事实上，请看它手的行动，它是非常灵活的，但是它一直抓着这个瓶子不放，同时它也还可以跟随人行动有所变化。如果你想要用传感器或者其他方式来完成这个功效，这是非常困难的。但是通过引入机器设计装置，很容易就是实现了这种功效。

这是这个机器人手臂部分的全面展示。扭力杆、旋转式阻尼器、执行器单位，这在机器设计上是很紧张的。固然这个机器人身上也有许多传感器。我可以利用许多传感器。但在引入传感器之前，我们应该在机器人中利用好的机器设计装置，这很紧张。

另外一个例子就是手。

为什么人的手是这么灵活的呢？有可能是手的形状，手的“机器装置”也是非常紧张的。我们有指甲，有不同的手指头的关节，然后我们可以或许用手来完成许多事情。

以是机器人界的人，设计出机器人半球形指尖，我们把这个要领称为机器学要领。

引入半球形指尖后，通过利用摩擦力的点触式抓取，我们很容易分析抓取行动。

然而，这种半球形指尖的设计并不能保证像人类的手一样事情。

以是我们引进生物机制的要领。这个手是拟人化的。

如许的一种设计，可以或许给我们带来改变压力的可能。我们看到一些照片，是400克的0度，400克的15度、30度等等，我们改变了它的角度，就改变了接触面积，也就是压力类型控制。这种设计可以实现煮鸡蛋。

这就意味着设计是非常的关键的，因为时间的限制，我就要跳过一些内容了。同时它还可以或许完成以学习为主的控制，训练过程中容易收敛。

以是机器设计和人工智能的干系非常密切。

时间有限，我跳过一些地方。

最近，我们想把深度学习应用于机器人的交换，固然如果说我还有机会，我也愿意和各人进行更多的分享。

5. 总结

在这里我们也希望可以或许做一个练习，让我们来设计一个球形的机器人，它可以或许一个全方向的运动的控制和道路自动规划。可以做出这个设计吗？这是一种解决方案。它是Apple商店的商业产品，名字叫Sphero。它的设计很庞大，这此中涉及到电脑、蓝牙、轮子等。

然而，这里还有另外一种解决方案。以是，这个球可以在房间内的任何方向滚动。而且当球碰到墙角时，很容易就可以脱离墙角，转换方向。以是，请各人考虑一下这个球的机器设置，它的电脑设置，它内部的传感器。各人可以想象到吗？

这就是其内部装置，非常的简朴，只有一个电池，还有一个电动机，没有任何的电脑设置。

事实上只有一个偏心轴电机，就可以让它进行如许智能的移动，没有传感器，没有电脑。

为了实现智能机器，我们应该考虑到机器人最基础的设计和机制，这非常紧张，也是我现在想要告诉各人的，谢谢！

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陈晓晖湛庐文化总裁，联合创始人
寄语：人工智能与网络和传感器、无限盘算、机器人技能和合成生物学一起作为5种已经比较成熟，足以创业开辟的技能将会在未来的3-5年内产生爆炸式的生长，孕育着巨大的机会。人工智能的关键时刻已经来临，它已经来到了指数及增长的膝部。从静·沙龙到新智元正是顺应了这种变化，新智元一定会在这个颠覆性、疯狂生长的范畴发挥巨大的作用。_______________

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