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| 本文作者： 黃善清 | 2019-07-18 14:33 | 專題：CCF-GAIR 2019 |
雷鋒網 AI 科技評論按：7 月 12 日-7 月 14 日，2019 第四屆全球人工智能與機器人峰會（CCF-GAIR 2019）于深圳正式召開。峰會由中國計算機學會（CCF）主辦，雷鋒網、香港中文大學（深圳）承辦，深圳市人工智能與機器人研究院協辦，得到了深圳市政府的大力指導，是國內人工智能和機器人學術界、工業界及投資界三大領域的頂級交流博覽盛會，旨在打造國內人工智能領域極具實力的跨界交流合作平臺。
7 月 13 日，日本東北大學機器人系教授、IEEE RAS 主席、IEEE Fellow 小菅一弘教授為 CCF-GAIR 2019 分會場「機器人前沿專場」做了題為「Co-worker Robot PaDY」的大會報告。以下為小菅一弘教授所做的大會報告全文。
很高興有機會給大家做分享，我是來自日本東北大學的機器人系教授小菅一弘，今日主要想談協作機器人。我收到邀請時，被告知有 30 分鐘的分享時間，現在看來我很可能會超時，希望這次演講能給大家帶來更多有趣的信息。
首先，給大家看在日本收集到的一些數據，當中就包括了對 2030 年及 2050 年的人口預測。
今日上午，我在酒店樓頂欣賞了一下深圳的城市風光，我發現這座城市的風景非常好，盡管這樣，我們依然不能忽略社會上存在的一些問題和挑戰，這些都值得我們在未來去做更多努力。
以上兩張圖是截至 2050 年的中國人口預測數據，簡單來說，人口老齡化的情況會變得越來越嚴重。而美國的預測數據要比中日兩國好，可能是與美國很多人不愿意提前退休，即便到了退休年齡還在繼續工作有關。
之前《金融時報》的某個文章截圖表明，在 2016 年到 2017 年期間，日本一些公司招不到員工上班，在缺乏人力支撐業務的情況下，這些公司只好宣布破產。美國也存在相應情況，2018 年 10 月 10 號的一個數據顯示，美國到了 2028 年可能會面臨的一個挑戰是，很大一部分人將欠缺未來所需的必要技能，最終會對整個社會經濟造成很大的損失。
另外還有一組來自聯合國的數據顯示，68% 的世界人口到 2050 年時都會生活在城市里，這說明城市化的趨勢是相當明朗的。這樣的環境將會充斥著各種摩天大樓，有的人也許很喜歡這種環境，但結合我們剛剛提到的挑戰來看，很多問題在未來將是潛藏存在的，比如建筑需要加強結構設計來盡可能容納更多人，以創造更多的集約化空間。
人類與機器人的互動
接下來，我將與大家分享機器人研究所遇到的挑戰和機遇，包括機器人可以完成哪些事情、存在哪些機器人類型，以及不同類型的機器人所對應的使用場景。
日本差不多在 10 年前便開始啟動機器人學研究，當時主要研究將對社會帶來什么影響，不過那時候取得的成果很少，最起碼在 2010 年時的進展依然不大。鑒于此，日本政府希望能夠做一些推進，尤其是探討機器人在服務業方面的機會。
我們做了基本分類，從個人、社區、國際社會三個角度出發，探討機器人分別能產生哪些價值。
這張由我列出的表格中，清楚描述了機器人在每個層面所帶來的挑戰和機遇。在國際層面，機器人可以介入的服務包括環境監控、自然資源探索、太空探索、深海/淺海探索等；在社區層面，可介入的服務包括政府服務、農業、森林、漁業、挖礦、基礎設施建設、制造業、建筑業等；在個人生活品質的提升層面，包括在醫療、健康等方面都能帶來許多正面影響。
由于今天的會議跟人工智能相關，所以我選擇了一個細分主題叫「人類與機器人的互動」。人類與機器人互動的歷史非常悠遠，說白了即是一個增強人類力量的功能，看起來仿佛很簡單，然而事實卻不是這樣的。從機器人，到操作員，再到環境，這三者之間的互動是非常微妙的，任何一個小動作都會牽涉到三者之間的綜合性變化。為了協調它，看似簡單的一個動作，都要在控制方面做非常多的努力。
另外一個我個人比較感興趣的話題是人類如何與機器人進行合作，因為這是未來人機協作方面非常核心的話題。
有一款差不多是在 20 年前被發明出來的機器人助手，從人機協作的層面來看非常成功，因為它可以幫人抬桌子。另外還有一款連接式機器人，通過兩個配套的機器人，可以幫人類移動柜體。
采用這些相近技術，我們可以拓展到更多領域促成更多的事情。況且，當時我們還缺乏精確的控制技術，因為不存在優質的感知系統。換句話說，如果我們想控制一個移動機器人的精確移動，就要提高在機械力學方面的精度，這樣機器人才能夠在不借助人類的幫助下自主地移動物體。
剛剛介紹的是我們早期做的一些實驗，我們可以看到一些簡單的操作是可以由機器人配合人類去完成的，與此同時，我們也發現在一些比較泛化的任務上，實際操作起來還是有點困難的，即使配置的是一個輔助型機器人系統。這是因為它無法理解這件事情。為了促進機器人與人類的合作，我們需要做的包括：
使其了解任務指的是什么
使其了解人類的意圖是什么
使其了解人類需要獲得的具體是哪些幫助
也許還有其他的內容，但我相信這三點是最重要的，相比起 10 年前，如今多了人工智能的加持后，這三點其實已經做得越來越好了。
「翩翩起舞」的舞伴機器人
我們后來做出了許多有趣的機器人，比如會跳舞的舞伴機器人。舞伴機器人可以對舞步提前做出精準的預測行為。一般是男女兩個人共舞時，我們通過有形的物體去進行操作，這是一個基本的人機互動例子。這個研究非常有意思，我曾這樣告訴過我的學生，通過使用我們的研究，就能學會跳舞。
我們的跳舞行為是由一系列的動作組成的，一般是男性舞者做引導，女性舞伴進行配合，然后再根據跳舞規則以及周圍環境來完成的，所以得有相應的參數。作為女性舞伴，她必須根據自己對舞蹈的認識和經驗來配合男性舞伴，這也意味著女性舞伴必須對舞蹈非常了解，才能與男性舞伴配合好。換而言之，只有對舞蹈的規則設置了然于心，我們才能開發出這么一個女舞伴系統，當然，第一版并不太完美，但已在 2005 年的瀨戶世博會上被使用起來了。
這是一款很古老的機器人，經過這些年都有點破舊不堪了，接下來我們盡量往極簡主義的方向去做。
在多維視覺方面，最開始的版本并不存在上下運動的操作，但考慮到上下運動對舞蹈而言非常重要，所以我們后來做了相應改進，既可以上下，又可以傾斜。此外，為了讓機器人在跳舞時能順利預測后面的舞步，我們決定把信息輸入到機器人的上肢中，因此設計了相應的舞步預估機器，使其能在跳舞過程中通過數據錄入來預測接下來的舞步。
需要強調的是，當時的 CPU 處理器的處理速度要比今天慢得多，但我們還是基于當時的處理器開發出了舞步預估機器，從而把舞伴機器人給成功創造出來。
在瀨戶世博會上，我們通過 10 天的時間向大眾展示了舞伴機器人的魅力，給廣大參觀者留下了深刻的印象。后來很多人問我這么一個問題：這個東西設計出來，商業價值體現在哪里？有人說了，可以放在日本的舞蹈學校中應用，但在現實中，這些學校的女性舞者數量大大超過了男性舞伴，根本就不需要這種女舞伴機器人。
無論如何，在這個研究過程中，我們更好地解讀并理解女性舞者。2005 年，《時代》雜志把我們的研究評為當時最震撼人心的一個發明。近期有個韓國人告訴我，這個舞伴機器人在韓國的名聲也很響亮。
舞伴機器人還存在哪些挑戰呢？還是得回歸到與人的互動上，以及對人類行為和意圖的理解，然后在這過程中完成預測和互動，這些都還存在進步空間。另外前面也提到過，日本舞蹈學校欠缺男性機器人舞伴，而男性舞者起的是領舞作用，如何讓機器人領舞的意圖被人類舞伴所理解，依然是需要攻關的課題。
裝配機器人 PaDY
這是另一個典型的畫面，圖片中顯示的是過去的汽車工廠，這些工廠的生產線往往是由機器人負責組裝的。實際上，我們依然可以看到現實還存在許多需要人類親自動手組裝的環節，因為這部分組裝工作對機器人而言存在難度，如果在這樣一個空間里，能有一個機器人給人類遞去相關零部件，那么人類就能專注于配件與車身的連接，工作效率也就能獲得明顯的提升。
由我們創造出來的這款機器人名叫 PaDY，可以用來進行汽配零件的傳遞和交付，最終達到減少工作負載與錯誤率的目的。從 ISO 標準來看，它已不是單純的機器人，因為我們是按照 ISO 安全法規部署到位的——換句話說，我們的系統是基于公司的政策和規章制度來進行設計的。把 PaDY 引進后，我們可以有效把工人工作的時間縮短 20% 到 30%，當然還要取決于具體執行任務的差異化。
這背后有很多故事，我們將它引進到工廠里使用幾個月后，廠方決定不再繼續使用，因為確實存在一些問題，需要我們進一步去提升性能，而我們提升性能使用的最主要手段就是機器學習。
為了改進早前系統存在的問題，我們需要收集歷史統計數據，這樣工廠的生產線工程師才能根據收集到的數據提前進行編程。由于生產線經常有變化，主要取決于每天量產的車數以及配置的工人數量，于是我們設置了實時、自動進行數據收集的系統，這樣就能針對這些工人的工作進行建模，然后基于建模進一步判斷該如何對機器人進行良好控制。
我們使用的是回歸模型建模方法，當工人完成一項任務時，我們就會進行回歸分析，從而獲知都存在哪些工作步驟。
這是我們實驗室所做的一個實驗，可以看到存在這么一個循環鏈條——先執行任務 1，然后執行任務 2，最后再到任務 3，最后又回到前面的動作。類似的實驗主體只要重復 10 次實驗，系統就能正式運轉起來。
工廠的管理人員告訴我，有時工人試圖按照不同的流程來進行操作，為此，我們又另外開發了一個控制系統，來應對工人不按照標準流程進行操作的問題。我們的系統會進入自主學習模式，進而習得人類新的行為模式。當然，這個工作還在不斷擴展當中，我們試圖把這樣一個理念擴展到組裝線上去。剛制作出來的機器人有時跟公司現狀不是特別匹配，這時就需要你做相應的調整。
最后，進入到我的演講小結。
我們在全球范圍內遇到了各種各樣的挑戰和問題，當下的機器人可以做更多突破與創新，尤其是在應用方面。我希望未來能有更多以應用為導向的研究和發展，而人機協作是近來機器人領域的重點探討問題，因為我們在日常生活中非常需要類似的助理型機器人。演講中我具體介紹的案例包括舞伴機器人和裝配機器人 PaDY，最后也介紹了相關的運作原理。總而言之，希望未來能看到更多機器人的應用場景。感謝大家的聆聽。
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