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日本东北大学小菅一弘教授:在教会机器人跳舞后,我们又有了更远大的目标丨ccf-gair 2019
作者:28365365体育在线—— 佚名 时间:2019-7-22文章来源:365备用网址——百度访问量:2178

雷锋网 ai 科技评论按:7 月 12 日-7 月 14 日,2019 第四届全球人工智能与机器人峰会(ccf-gair 2019)于深圳正式召开。峰会由365bet体育计算机学会(ccf)主办,雷锋网、香港中文大学(深圳)承办,深圳市人工智能与机器人研究院协办,得到了深圳市政府的大力指导,是国内人工智能和机器人学术界、工业界及投资界三大领域的顶级交流博览盛会,旨在打造国内人工智能领域极具实力的跨界交流合作平台。

7 月 13 日,日本东北大学机器人系教授、ieee ras 主席、ieee fellow 小菅一弘教授为 ccf-gair 2019 分会场「机器人前沿专场」做了题为「co-worker robot pady」的大会报告。以下为小菅一弘教授所做的大会报告全文。

很高兴有机会给大家做分享,我是来自日本东北大学的机器人系教授小菅一弘,今日主要想谈协作机器人。我收到邀请时,被告知有 30 分钟的分享时间,现在看来我很可能会超时,希望这次演讲能给大家带来更多有趣的信息。

首先,给大家看在日本收集到的一些数据,当中就包括了对 2030 年及 2050 年的人口预测。

今日上午,我在酒店楼顶欣赏了一下深圳的城市风光,我发现这座城市的风景非常好,尽管这样,我们依然不能忽略社会上存在的一些问题和挑战,这些都值得我们在未来去做更多努力。

以上两张图是截至 2050 年的365bet体育人口预测数据,简单来说,人口老龄化的情况会变得越来越严重。而美国的预测数据要比中日两国好,可能是与美国很多人不愿意提前退休,即便到了退休年龄还在继续工作有关。

之前《金融时报》的某个文章截图表明,在 2016 年到 2017 年期间,日本一些公司招不到员工上班,在缺乏人力支撑业务的情况下,这些公司只好宣布破产。美国也存在相应情况,2018 年 10 月 10 号的一个数据显示,美国到了 2028 年可能会面临的一个挑战是,很大一部分人将欠缺未来所需的必要技能,最终会对整个社会经济造成很大的损失。

另外还有一组来自联合国的数据显示,68% 的世界人口到 2050 年时都会生活在城市里,这说明城市化的趋势是相当明朗的。这样的环境将会充斥着各种摩天大楼,有的人也许很喜欢这种环境,但结合我们刚刚提到的挑战来看,很多问题在未来将是潜藏存在的,比如建筑需要加强结构设计来尽可能容纳更多人,以创造更多的集约化空间。

人类与机器人的互动

接下来,我将与大家分享机器人研究所遇到的挑战和机遇,包括机器人可以完成哪些事情、存在哪些机器人类型,以及不同类型的机器人所对应的使用场景。

日本差不多在 10 年前便开始启动机器人学研究,当时主要研究将对社会带来什么影响,不过那时候取得的成果很少,最起码在 2010 年时的进展依然不大。鉴于此,日本政府希望能够做一些推进,尤其是探讨机器人在服务业方面的机会。

我们做了基本分类,从个人、社区、国际社会三个角度出发,探讨机器人分别能产生哪些价值。

这张由我列出的表格中,清楚描述了机器人在每个层面所带来的挑战和机遇。在国际层面,机器人可以介入的服务包括环境监控、自然资源探索、太空探索、深海/浅海探索等;在社区层面,可介入的服务包括政府服务、农业、森林、渔业、挖矿、基础设施建设、制造业、建筑业等;在个人生活品质的提升层面,包括在医疗、健康等方面都能带来许多正面影响。

由于今天的会议跟人工智能相关,所以我选择了一个细分主题叫「人类与机器人的互动」。人类与机器人互动的历史非常悠远,说白了即是一个增强人类力量的功能,看起来仿佛很简单,然而事实却不是这样的。从机器人,到操作员,再到环境,这三者之间的互动是非常微妙的,任何一个小动作都会牵涉到三者之间的综合性变化。为了协调它,看似简单的一个动作,都要在控制方面做非常多的努力。

另外一个我个人比较感兴趣的话题是人类如何与机器人进行合作,因为这是未来人机协作方面非常核心的话题。

有一款差不多是在 20 年前被发明出来的机器人助手,从人机协作的层面来看非常成功,因为它可以帮人抬桌子。另外还有一款连接式机器人,通过两个配套的机器人,可以帮人类移动柜体。

采用这些相近技术,我们可以拓展到更多领域促成更多的事情。况且,当时我们还缺乏精确的控制技术,因为不存在优质的感知系统。换句话说,如果我们想控制一个移动机器人的精确移动,就要提高在机械力学方面的精度,这样机器人才能够在不借助人类的帮助下自主地移动物体。

刚刚介绍的是我们早期做的一些实验,我们可以看到一些简单的操作是可以由机器人配合人类去完成的,与此同时,我们也发现在一些比较泛化的任务上,实际操作起来还是有点困难的,即使配置的是一个辅助型机器人系统。这是因为它无法理解这件事情。为了促进机器人与人类的合作,我们需要做的包括:

使其了解任务指的是什么使其了解人类的意图是什么使其了解人类需要获得的具体是哪些帮助

也许还有其他的内容,但我相信这三点是最重要的,相比起 10 年前,如今多了人工智能的加持后,这三点其实已经做得越来越好了。

「翩翩起舞」的舞伴机器人

我们后来做出了许多有趣的机器人,比如会跳舞的舞伴机器人。舞伴机器人可以对舞步提前做出精准的预测行为。一般是男女两个人共舞时,我们通过有形的物体去进行操作,这是一个基本的人机互动例子。这个研究非常有意思,我曾这样告诉过我的学生,通过使用我们的研究,就能学会跳舞。

我们的跳舞行为是由一系列的动作组成的,一般是男性舞者做引导,女性舞伴进行配合,然后再根据跳舞规则以及周围环境来完成的,所以得有相应的参数。作为女性舞伴,她必须根据自己对舞蹈的认识和经验来配合男性舞伴,这也意味着女性舞伴必须对舞蹈非常了解,才能与男性舞伴配合好。换而言之,只有对舞蹈的规则设置了然于心,我们才能开发出这么一个女舞伴系统,当然,第一版并不太完美,但已在 2005 年的濑户世博会上被使用起来了。

这是一款很古老的机器人,经过这些年都有点破旧不堪了,接下来我们尽量往极简主义的方向去做。

在多维视觉方面,最开始的版本并不存在上下运动的操作,但考虑到上下运动对舞蹈而言非常重要,所以我们后来做了相应改进,既可以上下,又可以倾斜。此外,为了让机器人在跳舞时能顺利预测后面的舞步,我们决定把信息输入到机器人的上肢中,因此设计了相应的舞步预估机器,使其能在跳舞过程中通过数据录入来预测接下来的舞步。

需要强调的是,当时的 cpu 处理器的处理速度要比今天慢得多,但我们还是基于当时的处理器开发出了舞步预估机器,从而把舞伴机器人给成功创造出来。

在濑户世博会上,我们通过 10 天的时间向大众展示了舞伴机器人的魅力,给广大参观者留下了深刻的印象。后来很多人问我这么一个问题:这个东西设计出来,商业价值体现在哪里?有人说了,可以放在日本的舞蹈学校中应用,但在现实中,这些学校的女性舞者数量大大超过了男性舞伴,根本就不需要这种女舞伴机器人。

无论如何,在这个研究过程中,我们更好地解读并理解女性舞者。2005 年,《时代》杂志把我们的研究评为当时最震撼人心的一个发明。近期有个韩国人告诉我,这个舞伴机器人在韩国的名声也很响亮。

舞伴机器人还存在哪些挑战呢?还是得回归到与人的互动上,以及对人类行为和意图的理解,然后在这过程中完成预测和互动,这些都还存在进步空间。另外前面也提到过,日本舞蹈学校欠缺男性机器人舞伴,而男性舞者起的是领舞作用,如何让机器人领舞的意图被人类舞伴所理解,依然是需要攻关的课题。

装配机器人 pady

这是另一个典型的画面,图片中显示的是过去的汽车工厂,这些工厂的生产线往往是由机器人负责组装的。实际上,我们依然可以看到现实还存在许多需要人类亲自动手组装的环节,因为这部分组装工作对机器人而言存在难度,如果在这样一个空间里,能有一个机器人给人类递去相关零部件,那么人类就能专注于配件与车身的连接,工作效率也就能获得明显的提升。

由我们创造出来的这款机器人名叫 pady,可以用来进行汽配零件的传递和交付,最终达到减少工作负载与错误率的目的。从 iso 标准来看,它已不是单纯的机器人,因为我们是按照 iso 安全法规部署到位的——换句话说,我们的系统是基于公司的政策和规章制度来进行设计的。把 pady 引进后,我们可以有效把工人工作的时间缩短 20% 到 30%,当然还要取决于具体执行任务的差异化。

这背后有很多故事,我们将它引进到工厂里使用几个月后,厂方决定不再继续使用,因为确实存在一些问题,需要我们进一步去提升性能,而我们提升性能使用的最主要手段就是机器学习。

为了改进早前系统存在的问题,我们需要收集历史统计数据,这样工厂的生产线工程师才能根据收集到的数据提前进行编程。由于生产线经常有变化,主要取决于每天量产的车数以及配置的工人数量,于是我们设置了实时、自动进行数据收集的系统,这样就能针对这些工人的工作进行建模,然后基于建模进一步判断该如何对机器人进行良好控制。

我们使用的是回归模型建模方法,当工人完成一项任务时,我们就会进行回归分析,从而获知都存在哪些工作步骤。

这是我们实验室所做的一个实验,可以看到存在这么一个循环链条——先执行任务 1,然后执行任务 2,最后再到任务 3,最后又回到前面的动作。类似的实验主体只要重复 10 次实验,系统就能正式运转起来。

工厂的管理人员告诉我,有时工人试图按照不同的流程来进行操作,为此,我们又另外开发了一个控制系统,来应对工人不按照标准流程进行操作的问题。我们的系统会进入自主学习模式,进而习得人类新的行为模式。当然,这个工作还在不断扩展当中,我们试图把这样一个理念扩展到组装线上去。刚制作出来的机器人有时跟公司现状不是特别匹配,这时就需要你做相应的调整。

最后,进入到我的演讲小结。

我们在全球范围内遇到了各种各样的挑战和问题,当下的机器人可以做更多突破与创新,尤其是在应用方面。我希望未来能有更多以应用为导向的研究和发展,而人机协作是近来机器人领域的重点探讨问题,因为我们在日常生活中非常需要类似的助理型机器人。演讲中我具体介绍的案例包括舞伴机器人和装配机器人 pady,最后也介绍了相关的运作原理。总而言之,希望未来能看到更多机器人的应用场景。感谢大家的聆听。

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