蛋殼刺破膜不破：摩登時代的高精度機器人
原標題:蛋殼刺破膜不破摩登時代的高精度機器人
機器人小i在雞蛋外殼上鑽孔
撰文 崔昊天
責編 程 莉
老電影《摩登時代》中有一個經典的鏡頭，卓別林每天不停歇地在生產流水線上扭緊一個個六角螺帽，最後他的眼睛裡只剩下一個個六角螺帽，看到什麼都要去扭一扭，最終瘋狂。這一幕描繪的是20世紀30年代的美國工廠。如果他生活在現在，自然不會發瘋，因為高精度機器人已經不僅僅能做到精確地扭緊螺帽了。
用鑽頭鑽透雞蛋殼而蛋膜完好無損，刺穿覆在氣球上的薄紙保證氣球不破……這些“不可能的任務”需要超乎常人的穩定、精確，以及敏捷的反。本週《機智過人》的節目現場，代表機器智慧的協作機器人和最富經驗的人類高階鉗工一起面對挑戰，他們能成功嗎？
心細如髮——高精度機 器人
時至今日，我國有些精密的武器彈藥依然需要人工做最後的校準，以保證結構的精確性。來自軍工企業的高階鉗工張新停師傅，就是這樣一位“給子彈立規矩”的人。把鑽頭當繡花針用是他每天的工作，因為精度要求最高的部件，要把誤差控制在千分之一毫米。手工打磨一個滿足如此要求的部件，一位高階鉗工需要一個月的時間。
人工刺破緊貼在氣球表面的A4紙
為了在高精度加工中提升工作效率，輔助人工甚至替代人工，需要精密數控機床和高精度的機械臂。在《機智過人》節目現場出現的小i機器人，即是一種高精度的雙臂協作機器人，每條機械臂有六個自由度。
自由度是什麼呢？機械臂的自由度（Degree of Freedom）用來描述機械臂動作的靈活性，與能夠獨立運動的關節數目對。目前工業機器人採用的控制方法通常在機械臂的每一個關節軸處安放一個獨立的伺服電機，因此“軸數”越多，代表了機器人的運動越靈活自由。小i是一種六軸機器人，即擁有六個自由度，可以實現橫向，縱向，垂向三個方向的移動以及三個方向的姿態角。因此在機械臂的活動空間內，六自由度的機械臂可以按任意指定方向到達指定位置，滿足各種運動需求。
協作機器人又是什麼呢？我們知道，大部分工業機器人是自動作業或是被安裝在防護網中被人引導作業的。協作機器人則不同，它和人類近距離接觸，能夠與人在同一工作環境中協同工作，在生產生活中充當不同的角色，如在辦公室環境下它可以是和人類一起工作的自主機器人，在工廠中它可以充當沒有防護罩的工業機器人。
因此協作機器人在設計之初就從安全性的角度為人機互動提供了安全保障，在構造和效能上兼具了人和機器各自的優點，尤其體現了人的靈活性和適性。那小i機器人是否真的和人一樣靈巧又心細如髮呢？節目現場給出了兩輪挑戰。
首先，小i需要在雞蛋表面打五個孔，將蛋殼鑽除，還要保證蛋膜完好無損。雞蛋殼的厚度是0.3-0.4mm，蛋殼內部的蛋膜更薄。從技術層面分析，小i成功完成挑戰依靠的是完整的 自主規劃能力和準確的力反饋控制 。
小i利用每個機械臂腕部的攝像頭對雞蛋表面進行三維掃描，確定好正確的鑽孔位置和鑽孔方向（垂直於蛋殼曲面的方向）。實際鑽孔過程中利用機械臂的力反饋感測器感受蛋殼鑽透時刻的阻力變化，做出停機控制。最終結果是小i操作的效率和準確度遠超人類選手。
在另一個挑戰中，小i需要利用一把唐刀迅速刺破緊貼在氣球表面的A4紙，氣球要完好無損。感測器在接觸到紙的瞬間感受到阻力變化，同時要排除氣球彈性對力感知的干擾，在電光火石之間做出停機指令，準確快速制動機械臂運動，這樣的操作給力反饋控制提出了極高的要求。最終小i也成功完成了挑戰。
小i接受挑戰中
90後機器人
在機器人領域中，協作機器人還很年輕。1996年，由美國西北大學的2位教授J．Edward Colgate和Michael Peshkin首次提出，並申請了專利。協作機器人概念的提出，來源於1995年通用汽車基金會（General Motor Foundation）的資助專案，該專案試圖找到相關方法使機器人變得足夠安全以便可以和工人協同工作。
2005年，專門研發協作機器人的Universal Robots公司在丹麥成立。公司創始人在丹麥大學的研究中意識到了中小企業對靈活製造的需求。到2009年,Universal Robots公司推出了一款機器人——UR5，全球首款協作機器人誕生。
2012年，Rethink Robotics推出了雙臂協作機器人Baxter。Baxter以使用者友好著稱，使用了拖動示教系統方便使用者快速設定機器人動作，同時創新地研發了具有彈性的仿生機械臂關節，保證使用安全。
Baxter機器人在工作
自此之後，協作機器人市場大門被開啟，不僅傳統四家工業機器人巨頭紛紛進軍這一新領域，KUKA的LBR iiwa（2013）、ABB的Yu Mi（2014）、FANUC的aR-35iA（2015）以及Yaskawa的MOTOMAN-HC10（2015）相繼推出，同時市場上出現了越來越多的新創立的協作機器人公司。協作機器人的概念也被大家所認識和接受，並逐漸發展成為全球關的焦點。輕型，靈活，安全成為協作機器人的標籤。
多種多樣的協作機器人
工業機器人領域的新發展
工業機器人產業經歷了幾十年的發展，已經走向成熟。而我國起步較晚，核心部件（伺服電機、減速器、控制器等）的製造與世界先進水平還存在差距。例如，控制機械臂精確運動的核心零件減速器。機械臂的伺服電機在低頻運轉下容易發熱和出現低頻振動，不利於確保長時間和週期性工作的工業機器人精確、可靠地執行，而精密減速器能夠使伺服電機在一個合適的速度下運轉，並精確地將轉速降到工業機器人需要的速度。國際上精密減速器的生產被少數幾家日本公司壟斷，其中Nabtesco由兩傢俱有60年以上歷史的日本工業企業帝人精機和納博克合併而來，全球市場佔有率達到60%，Harmonica佔有率達15%。
減速器結構示意圖
差距中蘊含著機遇，我國近年來出現了一批減速器研發生產企業，國產減速器的質量在逐步提升。一些相關的指標，如傳動誤差、回差與國際水平的差距已明顯縮小。從小i機器人的精確控制中可以看到國產機器人核心部件的發展潛力。
另一方面，人工智慧等新興技術也在與工業機器人結合中。2015年，Google與來自加州大學伯克利分校的研究者Sergey Levine和Pieter Abbeel開發的深度學習系統使機器人可以自己完成掛衣服，開瓶蓋等動作。2016年，Sergey Levine再次與Google合作，通過視覺識別使機械臂完成了抓取多種形狀物體的自主學習，而不需要人為程式指定，這在工業生產線中具有潛在的用價值。
深度學習方法控制機器人抓取各種物體
機器人產業是實現製造現代化的支柱之一，是衡量國家制造業水平和科技水平的標誌。然而國內的相關技術研究起步較晚，與世界先進水平仍存在較大差距。正如清華大學魯白教授在《機智過人》節目現場所指出的， “中國是全球最大的機器人市場，但是投入使用的很多工業機器人用的都是國外的技術，期待看到更多這樣優質的國產工業機器人投入到工業生產當中去”。
