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                                      機器人能夠多大程度地接近人類?



                                      迭代進化的乒乓球機器人“FORPHEUS”的開發人員訪談(前篇)




                                      作為歐姆龍核心技術的體現,乒乓球機器人“FORPHEUS”每年都在不斷升級。

                                      第五代FORPHEUS采用了通過削球和上旋球回球的先進技術、高精準預測對手打球動作的技術,并搭載了適合每一名球員的陪練功能。歐姆龍距離“人機完美默契”所需的“激發人類能力的機器人”的目標又近了一步。FORPHEUS的研發團隊聚集了5名技術人員,其中有兩人還是剛進公司的新員工。公司希望的研發時間是9個月。下面,我們將近距離了解研發的經過,看一看他們在這段時間都遇到了什么挑戰,又取得了什么成果。

                                      (成員介紹)

                                      團隊主管 八瀨 哲志 (嵌入式系統研發中心 無線與嵌入研究室) (照片中間)

                                      硬件/控制負責人 淺井 恭平 (智能系統研發中心 AI控制研究室) (左起第二位)

                                      控制負責人 劉 曉俊 (智能系統研發中心 AI控制研究室) (最左側)

                                      視覺負責人 中山 雅宗 (傳感研發中心 圖像傳感研究室) (右起第二位)

                                      視覺負責人 佐佐木 勇輝 (傳感研發中心 圖像傳感研究室) (最右側)


                                      挑戰全球首款“如人類手肘般活動的機械臂”

                                      ——據說第五代的研發課題是“KURO-OBI(黑帶)~專業球員和教練~”。為什么會確定這樣一個課題呢?

                                      八瀨:我們研發FORPHEUS的目的是希望人們通過體驗來了解和共同感受歐姆龍力求實現的“人機完美默契”這一未來愿景?!叭伺c機械融合”是指人與機械互相學習,共同成長的狀態。要提高選手的乒乓球能力,就需要根據每一個人的情況進行陪練,為此首先要求FORPHEUS本身就是一位“專業球員”,而且還要成為一位“專業教練”。


                                      ——要成為“專家”,具體都進行了哪些升級?

                                      淺井:我們讓FORPHEUS具備了“削球和上旋球回球”的能力。為此我們需要從硬件上進行調整。我們所用的拾取與放置(Pick and Place)※機器人能夠做出向前推動球拍擊球的動作,但向上揮拍的動作不夠,因此我們考慮增加一根軸看看效果,于是我們在關節上增加了一根軸,從而達到了“如人類手肘般活動”的效果。

                                      八瀨:除了乒乓球外,拾取與放置的目標是能夠像人手那樣進行精細作業。這意味著我們要想辦法在硬件上做到類似人類肩部到手指的功能,這對我們來說是一個挑戰。

                                      ※拾取與放置(Pick and Place)……工廠自動化中讓機械臂抓起特定位置的物品并搬運到特定位置的機構


                                      ——團隊中有硬件方面的專家嗎?

                                      淺井:新來的劉曉俊在大學學的是硬件,但我們開始研發的時候他還沒有加入團隊,那時候硬件方面基本都是我在做。我是學信息處理的,硬件設計并不在行,甚至都沒有接觸過,做起來非常痛苦。


                                      ——那真是不容易啊。哪些方面比較棘手呢?

                                      淺井:市面上有無數種電機和減速機,要從中選出最合適的非常耗費時間。電機控制也是,最開始只是非常簡單的動作就會使軸振動,我們花了一兩周的時間去查明原因。因為過去沒有那種形狀的機械臂。相關資料也沒有,我們只能每天反復嘗試并總結經驗。

                                      八瀨:除了改善硬件外,如何讓硬件動起來也是一項重大課題。乒乓球是一項需要快速揮拍的運動。只有在幾十毫秒,甚至幾毫秒的高精度控制下才能順利揮拍擊球。我們在制作兼顧速度和精度的硬件,以及為大限度發揮硬件性能設計算法方面耗費了大量時間。

                                      淺井:例如,乒乓球的上旋球是從下往上揮拍使球旋轉,而向機器人發送什么指令,讓機器人做出什么動作,世界上還沒有人在進行這些研究,如果控制球拍的多軸機械臂是全球首款,那么控制機械臂活動的算法也是獨一無二的。給人的感覺是我們闖入了沒有標準答案的世界?;蛟S其他方法也有解,但在有限的研發時間內做到現在這一步也算是一種好的方案了。



                                      能夠靈巧揮拍的多軸機械臂,使軸像人的手肘和手腕般活動


                                      劉:我和淺井正好相反,我在大學學的是機械,進公司前沒有思考和實施算法的經驗。所以花費了非常多的時間……即便如此也必須得趕在規定的時間拿出成果。從這種壓力中放松下來時,我參加了在老家上海舉行的進博會,展出了上一代乒乓球機器人。


                                      ——中國是乒乓球的發源地,觀眾好像也很嚴格吧。

                                      劉:他們的要求很高,比如“能不能再打快點?”,“扣個球看看”。這讓我真實感受到,如果自己不努力實施算法就無法讓他們知道乒乓球機器人的厲害之處,這反而激勵了我?,F在的第五代機器人應該能夠滿足想要“打得更快”的觀眾。

                                      淺井:第五代機器人在1月的CES上首次亮相,很多人注意到機器人“在拉旋轉球”、“手腕的動作有點奇怪”這些細節。在4月的漢諾威工業博覽會上,德國總理默克爾也到現場觀看,所有的艱辛都化成了喜悅。


                                      研發團隊在CES2019現場



                                      成為和人類一樣具有出色回球能力的機器人

                                      ——除了機械臂外,第五代還增加了攝像頭的數量吧?

                                      中山:乒乓球的動作富于變化,如果只有一臺攝像頭,就無法順利拍到需要的動作。例如揮拍的時候,身體會妨礙攝像頭拍攝手部的動作。為此,我們將拍攝人的動作的攝像頭增加到了兩個。

                                      此外,為了判斷人的擊球方向,除了身體的動作外,還需要感知人持拍的位置和方向,于是我們又新增加了拍攝球拍的攝像頭。這部分圖像處理由新加入的佐佐木負責。


                                      此次追加的拍攝球拍的攝像頭



                                      ——佐佐木有圖像處理的經驗嗎?

                                      佐佐木:我在大學做過程序設計,但圖像處理還是第一次。首先比較棘手的是拍攝球拍花費了非常多的時間。

                                      八瀨:在機器人看來,球拍非常小。而且每次展會的環境都在變化。燈光環境各不相同,觀眾的動作和服裝的顏色也大相徑庭。在這樣的環境中判斷球拍,并為驅動系統進行調整是很不容易的。


                                      ——即便只是聽你講,也能想象到難度之大。

                                      佐佐木:不斷追求精度也是首次挑戰。上大學的時候做出差不多的東西提交上去就結束了,但現在,如果我制作的數據精度不夠,就無法有效控制機器人。從未想到制作數據后不斷提高精度的工作是如此耗費時間。


                                      正在校準攝像頭的佐佐木



                                      中山:根據球拍的標記判斷球拍的方向時,用剛開始研發時的算法是無法準確判斷球拍方向的。因此,佐佐木在追求更高的精度,同時我則修改了算法,以便在數據精度不高的情況下也能判斷擊球方向。

                                      此外,球拍擊球的瞬間,由于球和標記重疊,無法計量球拍的數據。也就是說只有球拍擊球前的數據。我們也嘗試了各種算法來預測球拍和球的運動。經過反復嘗試,我們構建了一個系統,能夠在各種人和各種持拍方式的情況下或多或少地預測球拍和球的運動,從而能夠在擊球前高精度地預測擊球線路。我們堅信,機器人事先掌握預測線路后,已經能夠近似于人那樣打出高質量的回球。


                                      ——真厲害。正因為如此才會在意體驗者的感受吧?

                                      佐佐木:對于觀眾而言,視覺方面的研發成果是容易注意到的。在CES上,有的觀眾對這部分成果提問,有的觀眾拍照,反響很不錯。

                                      中山:我最高興的是聽到觀眾說“和去年大不一樣”、“不是改善,而是進化”。我覺得他們能夠很好地理解我們采用的技術和實現的功能,并且能夠樂在其中。


                                      ——研發人員克服艱辛,推出了第五代FORPHEUS。那么,在未來等待著的是怎樣的幸福未來呢??。ê笃┐m。


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