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新时代的东芝智能机器人解决方案 mask

新时代的东芝智能机器人解决方案

2020.07.24 研究开发
本文看点
  • 东芝机器人开发事业,持续满足社会需求
  • 机器人聪明又灵巧?高度智能化让机器人的应用范围越来越广
  • 面向人类与机器人合作的安全措施

东芝创业者之一,人称“机关仪右卫门”的田中久重,因在日本江户时代(1603年-1868年)制作出“射箭童子”等可进行高难度动作的机器人而闻名于世。传承创业者的“智”造DNA,长久以来,东芝一直致力于机器人的开发事业。

在“机关仪右卫门”时代,机器人的存在意义仅在于技术本身,而现在的机器人开发事业主要是为了满足社会需求。如今,21世纪的第一个20年即将过去,东芝究竟研究出了何种“机关”呢,这些“机关”又能满足哪些社会需求呢?

一、机器人高度智能化,创造未来无限可能

随着社会的不断发展,劳动人口减少导致的劳动力严重不足已成为当前社会的一大难题。劳动力不足的问题远远要比我们想象的严重,它对各行各业都有影响,特别是物流行业。近年来,一个冲击性词汇“物流崩溃”出现在了人们的视野,这才让整个社会意识到劳动力严重不足已成为刻不容缓的问题。

东芝在解决这个问题的道路上从未停下脚步。为满足制造、流通、物流等行业的需求,东芝此前也开发过各式各样的机器人。早在1967年,东芝就开发出了世界首台具有手写识别功能的“邮编自动读取分拣机”。该机器与翌年(1968年)开始实行的邮编制度完美结合,采用机械化方式处理长期依靠人工操作的邮包分拣工作,为处于快速成长期的日本提供了强有力的支撑。目前,东芝在该领域仍占有较高的市场份额。

1967年推出的世界首台实用手写邮编自动读取分拣机

1967年推出的世界首台实用手写邮编自动读取分拣机

该“邮编自动读取分拣机”采用机械化方式代替以前的人工操作,即:“查看收件地址,进行分拣作业”,这大幅提高了工作效率。仅从该项操作来看,机械化作业速度远超人工,且24小时持续作业,无需休息。但是邮政业务的全过程是“将投递到邮箱的邮包准确地送达至收件地址”,就整个链条而言,仍有很多工作需要人工完成。

与邮政行业一样,制造、流通、物流等行业也引进了机器人,负责完成各种自动化作业。尽管如此, “物流崩溃”仍成为了一项社会问题。因为,“物流崩溃”问题的根源在于劳动力不足。要想解决这一难题,我们需要实现更广泛领域的自动化,即:需要在“必须由人类完成”的作业领域实现自动化。

二、取代人类作业,机器人必备哪些功能?

传统工业机器人擅长重复性作业,换而言之,它们不擅长根据周围环境和情况来改变作业内容。这是因为机器人不具备人类特有的能力。虽然它们能够在预先设想的一定范围内进行判断作业,但无法实现非定型作业(即:应对无限增加的新情况,选择高效方法进行作业) 。

为了让机器人胜任这种非定型作业,就需要实现机器人智能化,即:观察、思考、行动。具体而言,“观察”能力即“识别技术”,“思考”能力即“规划技术”,“行动”能力即“机构控制技术”。

但随着智能机器人在作业时与人类的距离的逐渐缩小,在涉及机器人技术开发时,我们必须确保其建立在人类安全的“安全设计技术”基础之上。

人类是通过视觉和触觉等感官来感知周围情况的。为了让机器人能像人类一样观察、确认周围情况,需要更高端的“识别技术”。

例如,想要从杂乱堆积、形态各异的物体中正确地抓取目标,这就需要有“物体轮廓提取技术”的支持,即:正确判断目标位置存在何种物体,各种物体是如何放置的。

在判断物体轮廓的技术领域,东芝的判断精度已达世界领先水平※1

在判断物体轮廓的技术领域,东芝的判断精度已达世界领先水平※1

1V. Pham et al. “BiSeg: Simultaneous Instance Segmentation and Semantic Segmentation with Fully Convolutional Networks”. The Proceedings of the British Machine Vision Conference 2017

这种识别技术对于控制“行动”的“机构控制技术”而言,是不可或缺的信息获取手段。

传统的机器人通过追踪(识别)导轨及地板上的标记等实现正确移动。而在现有的识别技术支撑下,机器人能够对标准位置与当前位置进行比较,判断出自身位置,即使在没有导轨和标记的地方,也能正确、自如地移动。这是机器人自行判断并绘制最佳路线时必备的功能。

如上所述,可以说识别技术的目标就是赋予机器人像人眼一样的视觉能力。

通过识别技术判断自身位置。利用图像判断自身位置,无需地板上的导轨或标记

通过识别技术判断自身位置。利用图像判断自身位置,无需地板上的导轨或标记

用于“思考”的“规划技术”是根据识别技术获取到的信息,让机器人具备自行思考并行动的能力。

例如,要抓取箱子内的物品时,人类思考的是,想抓取的物品在哪里,大小及重量如何,为避免碰到箱子内侧及其他物品又应该如何伸出自己的手臂。

但对机器人而言,需要规划动作,即:如何移动机器人手臂,才能在不碰撞周围物品的前提下,抓取到目标物品。迄今为止,这个动作规划一直是在人类指示下完成的。但是,机器人未来将会根据自身收集的信息进行思考,规划动作。这便是规划技术。机器人制定“动作规划”时的实现方式是:根据识别技术获取到的信息,在计算机制作的模型空间内反复模拟操作,规划出最佳动作方案。

一旦完成“动作规划”,下一步就是实际“行动”了。这种“行动”所需的技术就是“机构控制技术”。这在人类看来,也可以说是“用于实现灵巧动作的技术

为达到“灵巧动作”的目标,东芝认为必需具备的最低性能标准是:通过模拟操作制定机器人手臂的动作规划,并按照规划正确移动机器人手臂。

例如,人类将货物放入箱内时,会把货物靠着箱子边缘放置。为了让货物靠近箱子边缘,人类会用眼睛观察并确认箱子边缘,然后将货物放在靠近箱子边缘的位置。再缓慢向箱壁推动货物,感觉到货物碰到箱壁的反作用力时,则确认货物已靠紧箱子边缘,此时,才会松手。

而让机器人手臂实现这些人类的无意识动作则要复杂很多,需要“用于实现灵巧动作的技术”。

具体而言,就是通过安装于机器人手臂上的“力觉传感器”,检测出货物与箱壁的接触行为,实现动作的灵巧性。

在机器人手臂上安装能够检测箱壁与货物接触行为的“力觉传感器”后,则可以像人类一样,将货物靠紧箱边放置。

在机器人手臂上安装能够检测箱壁与货物接触行为的“力觉传感器”后,则可以像人类一样,将货物靠紧箱边放置。

此外,货物形状通常也不是固定的。如果堆积得杂乱无章,则可能出现倾斜情况。除货物大小和形状外,货物重量也各不相同。这种差异对于人手来说可以灵活应对。例如,改变抓取倾斜物体时的手势及搬起重物时的姿势等。为了发挥与人类相近的灵巧性,东芝开发出了具有“复合抓取功能”的机器人手臂,用于抓取各种形状的物体。

复合抓取机构,用于抓取大小、重量、形状各异的物体

复合抓取机构,用于抓取大小、重量、形状各异的物体

三、机器人使用安全升级

机器人走向高度智能化,这让机器人动作更灵巧,其目的是:让机器人取代人类,完成上面所述的“必须由人类完成”的作业。然而,在其取代人类后我们首先要考虑的,就是“确保安全性”。

由于人类与机器人的距离变近,出现事故的风险增高。为确保安全性,需要将机器人与人类的作业区域分开,并进行全面管理。

一直以来,机器人都需要人类从旁辅助,以承担部分作业,机器人的作业区域与人类非常接近。人与人之间即便有接触,危险性也很小。但人类与机器人接触,则可能引发重大事故,因此,为了确保人类安全,必须引进以ISO13849-1等为标准的“安全设计技术”。

安全设计技术的基本原则之一就是“隔离原则”。即:机器人作业区域和人类作业区域互不干涉的原则。但存在的问题是:目前机器人只是取代人类的部分作业,因此,难以实现与人类作业区域互不干涉的要求。

针对此问题,东芝采用“作业区域选择算法”,为了实现与人类互不干涉的要求,开发出了让机器能够选择作业区域并自律移动的系统,从而确保了人类的安全。此外,与AGV(无人搬运车)控制动作的控制器不同,东芝配备了独立的速度监视模块,能够始终进行客观的监视,判断“是否在一定速度之下行驶”,以确保安全。

东芝认为,机器人涉及的所有技术都应建立在确保人类安全的基础之上。在基础构思阶段,将机器人可能伤害人类的悲剧彻底排除,这才是最重要的课题。

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