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协作机器人来了!开放原始码是关键
开启第三代智能机器人年代

【作者: 陳于風】2012年12月21日 星期五

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机器人 Robot 一词最早是在 1920 年,在捷克作家卡雷尔.恰佩克 (Karel ?apek) 的科幻小说《罗萨姆的万能机器人 (Rossum's Universal Robots)》中所出现,据说是由他的兄弟约瑟夫.恰佩克从捷克文原意为工作的Robota 及波兰文原意为工人的Robotnik 这两个字得到灵感而创造出来的。另外,发明家爱迪生早在 1911 年就曾经表示,他对机器未来有更宽广的用途从来没有怀疑过,「机器将参与许多事务,而不是靠人类手工来完成。」


在过去,机器取代人类劳工从事严苛和危险工作,例如利用机器手臂进行汽车自动焊接的工作,它不仅比人力更有效率的达到目标,更代表着进步的意义。而后来机器人的发展确如爱迪生所预言一般,参与了许多事务。它不单单仅是成为人类替代的劳动力,更为人类到达无法亲临的外层空间或是深海,执行人类所给予的命令。因为人类的需求,机器人的发展必将持续演变和进化。



图一 : 下一个协作机器人的主要市场将会围绕家庭成员,特别是老人。只需要协作机器人的少许帮助,老人就能够在家独立生活。
图一 : 下一个协作机器人的主要市场将会围绕家庭成员,特别是老人。只需要协作机器人的少许帮助,老人就能够在家独立生活。

从机器手臂到智能机器人

机器人产业的发展过程可依据技术的进展划分为以下三个时代:第一代机器人主要是工业用机器人,其存在的目的在于解决制造业中各种具有加工重复性、危险性高之粗重工作,例如焊接、切削、装配、运输等,这类机器人一般是以固定顺序之控制程序来执行。


第二代机器人属于「有知觉」的机器人,这主要是拜传感器技术进步所赐。传感器的应用提高了机器人的可操作性,也进一步深化了其应用层面。其中包括恩斯特在1961年采用的触觉传感器,在1962年时,托莫维奇和博尼则运用了压力传感器制造出最早的「灵巧手 (Dexterous Hand)」。麦卡锡并在1963年开始在机器人中加入视觉感测系统,并在1965年协助美国麻省理工学院推出了世界上第一个带有视觉传感器、能识别并定位的机器人系统。


同年,约翰霍普金斯大学的应用物理实验室透过声纳系统、光电管等装置的应用,制造出一具名为「野兽 (Beast)」的机器人,它能够根据所侦测到的环境讯息来修正自己的位置。因此从20世纪的60年代中期开始,全世界兴起研究配置有传感器的「有知觉」机器人的热潮。


随着个人计算机产业的兴起,机器人产业的发展也开始与个人计算机结合,应用产业也从工业开始多元化,迈入医疗、娱乐、居家照护、清洁、检测、军事、救援等等,自此开启第三代智能机器人的年代。


封闭型操作系统有碍机器人发展

然而在过去机器人的开发过程中,由于受限于特定用途及客制化特性使然,因此都是采用封闭型的操作系统,其他开发者及用户无法进行修改,这也就限制了进一步应用的可能性。其实过去的对于机器人的需求多数局限在工业上,以机器人解决制造业劳动力短缺的问题,因此机器人所要处理及执行的任务相对单一及单纯,因此封闭型的操作系统已足够应付市场上的需求。


然而,随着机器人应用的多元化,例如,汽车业所使用的机器人与电子业所使用的机器人在功能与应用特性上可说是大相径庭,而封闭型操作系统因缺乏弹性,不但无法应付日新月异的应用需求,同时也限制住机器人产业本身的发展。


例如,在医疗领域上,透过机器人辅助医生进行微型仪器的操作,或是进行远程医疗等,机器人都可以扮演相当称职的角色。像是 Intuitive Surgical 所开发的机器人da Vinci,这是一台经过美国 FDA 核准使用的机器人,到目前为止,它已经成功在全球各地的医院完成超过 20 万次手术。


但是这样的机器人因为是封闭型系统,因此用户或研究者无法针对本身特定的需求进行修改,因而限制其在医疗上所能应用的范围。此外,因为是封闭型系统,迄今仅有一家公司有此种产品,因此造价非常昂贵,而无法普及至各阶层的医疗体系,进而造福病患。


开放原始码有助机器人普及化

有鉴于此,由美国国家科学基金会 (National Science Foundation) 所领导的新计划,希望开放由美国华盛顿大学与加州大学共同开发的Raven II 平台的原始码予各顶尖医学教学机构,如哈佛大学与约翰霍普金斯大学,希望这些单位里最出色的人才能在研究后扩展其功能,为现有技术带来新的突破。


另外,由史丹佛人工智能实验室 (Stanford Artificial Intelligence Laboratory) 所推动的 STAIR (Stanford AI Robot) 计划,在 2007 年开发了一套Robot Operating System (ROS),这是一套供开发机器人软件使用的平台架构,目前采用BSD(Berkeley Software Distribution license)的授权方式,开放其原始码免费供商业及学术研究使用。


该平台架构的后续发展是由 Willow Garage公司主导,目前约有20 个以上的研究机构,以联合研究发展模式持续发展这套平台,且这个 ROS 平台目前已被超过10万个研究实验室用于开发机器人。例如,由Willow Garage公司和乔治亚理工大学的保健机器人实验室共同建立的「人性化机器人」项目,就采用了 第二代ROS 来设计可帮助老年人和残残障人士的机器人。


身为 Willow Garage公司开放原始码发展部门处长 (Director of Open Source Development) 的 Brian Gerkey 博士,他本身也是开放原始码机器人基金会 (Open Source Robotics Foundation) 的执行长,他表示:「赋予生产线机器人感知周围是否有人的能力,并且在必要的时候服从人的操作,这是新一代『协作机器人』所引领的方向。他们能够和人类一同工作,并且在提高生产力的同时,不会对人类造成伤害。」


他还预测说:「协作机器人还会让医疗等主流市场实现自动化。特别是在工业自动化市场之后,下一个协作机器人的主要市场将会围绕家庭成员,特别是老人。只需要协作机器人的少许帮助,老人就能够在家独立生活。」


一家位在美国波士顿的 Rethink Robotics 公司,在 9 月 17 日刚宣布推出的新款机器人 Baxter,就是 Gerkey 博士口中的「协作机器人」。过去在生产在线使用机器人,必须注意到机器人是否会伤害到附近周遭一起工作的同事。为了预防发生问题,通常会把机器人隔离在盒子中。


这款 Baxter 采用 ROS 系统,任何人都可以教它该做的任务,而且仅需数小时马上就可以上线工作,无须等待系统整合的时间。它可以直接与生产在线其他工人「和谐」相处,因为它可以感测到周遭人员的距离,而做出相应的动作。


此外, ABB 公司名为 Frida 的工作安全概念机器人,拥有平衡的四肢,采用小型马达,可防止伤到位在附近的人。 而 MEKA 公司的机器人,则是将手臂设计成与人类的尺寸类似,因此得以恰当仿真人类手部的动作。Motoman公司的机器人则是拥有两只可确保工作安全的手臂,该机器人已在实验室中证明能与技术人员共同工作。 这些公司所开发的协作机器人,都与 Gerkey 博士的预期不谋而合。


美国也推出了国家机器人计划 (National Robotics Initiative),藉以推动协作机器人被更广泛的使用。国家机器人计划将在2012年以7千万美元的合同方式推动工业自动化、老人协助和军事应用中的协同工作、协同生活和协同保护机器人研发。这项计划的另一个目标是希望透过使用协作机器人提供生产力,进而使制造业得以重新回到美国本土。


此外,美国国防部也大力投入协作机器人的研发工作,计划让训练过的操作人员远程探测并拆除爆炸军械,并且协助步兵和军警进行城市侦察等行动。然而这些协作机器人的推广,都有赖开放原始码操作系统平台方能达成。


平台统一化将加速「机械公敌」情节成真

推动机器人产业的发展必须使用开放原始码操作系统,相关各界已有所共识,但目前的问题在于除了 ROS 平台之外,市场上尚存在许多其他开放原始码的机器人操作系统,因此这是一个百家争鸣的时代。


这也代表着,目前机器人产业已经体认到唯有开放原始码,才能让这个产业往下一阶段发展。因为第三代智能机器人是一种由跨领域技术所构成的机器人,其技术高度已非第一、二代所能比拟,因此单靠一家公司之力将很难撑起产业的发展。


这就如同当初智能型手机在发展之初,主要是以微软与 Palm 的操作系统为主,但是后来因为苹果 iPhone 的出现,其开放操作系统原始码提供给全球应用开发商使用,因而创造出所谓的 App 经济的蓬勃发展,也将 iPhone 推向全球智能型行动装置的宝座。Google买下Android之后,也是复制开放原始码的策略,使得Android阵营最终仍然保有与苹果的iOS一较高下的机会。


其实在这波机器人操作系统竞争中,微软公司也吸取了之前发展智能型手机操作系统失败的教训,当它在 2006 年推出 Robotics Studio 时,便采用教育界及学界可免费使用的策略,虽然只是公开其部分原始码,但由于其采用模块化的架构及图形化接口,因此亦吸引了部分初步涉猎机器人领域的个人与公司的使用。


其实随着平台统一化的趋势越来越明显,比尔.盖茨也预言,家用机器人很快将席卷全球,或许在不久的将来,我们很快就会见到如同电影「机械公敌」所描述的情节一般,我们的社会有着一群个人机器人(Personal Robot)为我们服务,但是如果机器人无法遵守当初由科幻小说家艾西莫夫在小说《我,机器人》中所订立的「机器人三法则」时,人类又该当如何呢?(作者为CTIMES特约主笔)


机器人三法则

第一法则:机器人不得伤害人类,或袖手旁观坐视人类受到伤害。


第二法则:除非违背第一法则,机器人必须服从人类的命令


第三法则:在不违背第一及第二法则下,机器人必须保护自己。


机器人发展史回顾

回顾机器人的发展历程,乔治.德沃尔于1954 年制造出世界上第一台可程序编译的机器人;五年后的 1959 年,乔治与美国发明家约瑟夫.恩伯格步连手制造出第一台工业机器人。之后,恩伯格还成立了世界上第一家机器人制造工厂 - Unimation公司,同时也因为他对工业用机器人的研发和大力宣传,后来被尊称为「工业机器人之父」。日本的机器人产业与技术也是因为在 1967 年从 Unimation 购入第一台机器人并获得技术移转之后,开始有了长足的发展。


不过,全世界第一台仿人形机器人(Humanoid Robot)其实是由西屋电气公司在 1937 年至 1939 年间所创造,并于1939 年在纽约世界博览会上首次亮相。这个被昵称为 Elektro 的机器人身高 7 英尺,重达 265 磅,可透过语音控制行走,能够说出词汇数量约有700多个,它除了会摆动头手之外,还会抽烟跟吹气球,在当时展出时引起很大的回响。虽然它的动作有限,但还是引起大众对于拥有家用型机器人的憧憬。


随后发生的第二次世界大战导致机器人的相关研发工作受到影响。然而,随着机械、电子、传感器、驱动与控制等多个与机器人开发有关领域的大幅进展,使得机器人的应用范围也越来越广泛。(陈于风)


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