在漫威娛樂(lè)出品的第一部鋼鐵俠電影中，主角托尼·斯塔克（Tony Stark）開(kāi)發(fā)了一個(gè)大型機(jī)械助手，命名為Dum-E。作為目前工業(yè)級(jí)制造機(jī)器人的縮小版和更加安全的版本，Dum-E具備足夠的語(yǔ)音和手勢(shì)識(shí)別能力，此外還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，幫助托尼完成很多的工作。

Dum-E不僅展示了協(xié)作機(jī)器人（cobot）的巨大潛力，而且還展示其關(guān)鍵的功能。例如這臺(tái)協(xié)作機(jī)器人可以與托尼一起工作，在維修設(shè)備的過(guò)程中幫助托尼拿著鋼鐵戰(zhàn)甲的機(jī)械靴子。然后托尼會(huì)對(duì)著它大喊大叫，讓它停止到處噴灑阻燃劑；它不情愿的放下手臂，發(fā)出一聲嘆息，以此來(lái)表示它理解。協(xié)作機(jī)器人保證人類的安全——保護(hù)托尼免受火災(zāi)——體現(xiàn)了對(duì)阿西莫夫機(jī)器人第一定律的堅(jiān)持：機(jī)器人不能夠傷害人類或因?yàn)樽约旱牟蛔鳛槎屓祟愂艿絺Α?/p>

開(kāi)發(fā)協(xié)作機(jī)器人需要?jiǎng)?chuàng)建很多復(fù)雜的系統(tǒng)來(lái)感知、交流，并且能夠與人類一起安全的四處活動(dòng)。

復(fù)雜感知系統(tǒng)的要求

為了幫助人類，協(xié)作機(jī)器人使用了一系列技術(shù)來(lái)模擬人類的基本感官和環(huán)境，然而五官感覺(jué)必須與內(nèi)在感受（感知內(nèi)部狀態(tài)）和本體感受（對(duì)本體位置的感知）結(jié)合起來(lái)，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)類似人類的整個(gè)活動(dòng)過(guò)程。此外協(xié)作機(jī)器人還必須能夠進(jìn)行通信和移動(dòng)，這就需要另一套系統(tǒng)來(lái)與人類進(jìn)行交談、理解和進(jìn)行互相幫助。

感知周圍環(huán)境：外部感知

所有的協(xié)作機(jī)器人都使用了一些模仿人類基本感官的技術(shù)組合：視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)和觸覺(jué)（圖1），這五種感覺(jué)屬于外部感知的范疇，即對(duì)外界刺激的敏感度。

圖1：這個(gè)圖描述了五種感覺(jué)：視覺(jué)（眼）、聽(tīng)覺(jué)（耳朵）、嗅覺(jué)（鼻子）、味覺(jué)（舌頭）和觸覺(jué)（手）

為了能夠幫助人類，協(xié)作機(jī)器人必須擁有一系列環(huán)境感知傳感器來(lái)執(zhí)行任務(wù)，從而避免不必要的麻煩。協(xié)作機(jī)器人常見(jiàn)的外部感受傳感器包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、溫度、加速度和距離等。

感知它們的內(nèi)部狀態(tài)：內(nèi)在感受

為了能夠自我維護(hù)，機(jī)器人必須能夠獲取它們內(nèi)部的狀態(tài)。這與人類的相互感覺(jué)相對(duì)應(yīng)，即感知身體內(nèi)在狀態(tài)的能力，比如消化、呼吸和疲勞等。舉個(gè)例子，一個(gè)協(xié)作機(jī)器人必須知道它的電池什么時(shí)候需要充電，然后要主動(dòng)去尋找充電器。另一個(gè)例子是協(xié)作機(jī)器人要能夠感知過(guò)高的溫度，當(dāng)它內(nèi)部的發(fā)熱致使溫度過(guò)高時(shí)就會(huì)無(wú)法在人類身邊工作了。其他相互感知的例子還有感知光、接觸等，下文我們很快就會(huì)講到。

感知它們的相對(duì)位置：本體感受

外部和內(nèi)部的感知對(duì)于協(xié)作機(jī)器人的操作和維護(hù)是至關(guān)重要的，但是要對(duì)人類有用，大多數(shù)協(xié)作機(jī)器人還必須具備本體感受。由于大腦的相互作用和解釋，本體感受使得人體能夠在不看四肢的情況下移動(dòng)和控制它們。

對(duì)于人類來(lái)講這使得人類能夠感知身體各部分的相對(duì)位置，并且感知運(yùn)動(dòng)所需要的力量。人體的本體感受器官包括肌肉、肌腱和關(guān)節(jié)等。對(duì)于協(xié)作機(jī)器人來(lái)說(shuō)本體感受的功能主要依賴機(jī)電制動(dòng)器和電機(jī)來(lái)模擬，本體感受的測(cè)量包括關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度和運(yùn)動(dòng)力矩。

與人類進(jìn)行交流

聲音和運(yùn)動(dòng)不是感官，但是是人類和機(jī)器人交流和執(zhí)行任務(wù)所必須的。協(xié)作機(jī)器人需要語(yǔ)音通信來(lái)判別所聽(tīng)到的內(nèi)容，從而提醒人類注意潛在的危險(xiǎn)。語(yǔ)音合成的硬件和軟件可以用來(lái)模擬人類的聲音。

現(xiàn)在人工智能（AI）開(kāi)始使人類和協(xié)作機(jī)器人之間進(jìn)行實(shí)際的對(duì)話成為可能。機(jī)器人能夠理解人類語(yǔ)言中的細(xì)微差別，比如聊天、半句話、笑聲，甚至發(fā)出“啊哈”等不確定詞匯時(shí)也能夠聽(tīng)懂。共享資源比如會(huì)話層是機(jī)器人正在學(xué)習(xí)的另一個(gè)概念，為了防止交談的混亂，機(jī)器人被限制一次只能與一個(gè)人進(jìn)行明確的對(duì)話。

協(xié)作的復(fù)雜性

人類使用多種感官來(lái)運(yùn)動(dòng)、操作和交流。一個(gè)常見(jiàn)的例子是肢體語(yǔ)言比如在使用不同手勢(shì)時(shí)還會(huì)使用語(yǔ)音命令。對(duì)于協(xié)作機(jī)器人來(lái)說(shuō)這種形式的協(xié)作需要視覺(jué)識(shí)別來(lái)完成手勢(shì)識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別來(lái)理解不同的命令，以及借助人工智能（AI）來(lái)理解與人類交流時(shí)的內(nèi)容。托尼就是采用這些技術(shù)才實(shí)現(xiàn)了與Dum-E的溝通交流。

我們繼續(xù)深入探究這一點(diǎn)，這次我們舉一個(gè)通過(guò)視覺(jué)和觸覺(jué)（或觸摸）反饋結(jié)合感官理解的例子，實(shí)際生活中外科醫(yī)生在實(shí)際操作之前都會(huì)進(jìn)行模擬手術(shù)（圖2），模擬過(guò)程是創(chuàng)建一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的場(chǎng)景，外科醫(yī)生可以在該場(chǎng)景中查看和測(cè)試手術(shù)的整個(gè)過(guò)程，然而模擬過(guò)程中是無(wú)法感受到手術(shù)刀與人體組織接觸的感覺(jué)。這就是觸覺(jué)反饋的作用所在，因?yàn)樗軌驇椭M過(guò)程中的觸覺(jué)和力量。

圖2：觸覺(jué)的反饋能夠讓手術(shù)模擬過(guò)程中的感覺(jué)更加的真實(shí)

機(jī)器怎樣通過(guò)觸覺(jué)實(shí)現(xiàn)交流呢？觸覺(jué)反饋?zhàn)畛Ｒ?jiàn)的形式是通過(guò)振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，比如抖動(dòng)產(chǎn)生的感覺(jué)，但是還有些是靜音的，比如手機(jī)。以外科手術(shù)為例，線性的驅(qū)動(dòng)器可以取代振動(dòng)電機(jī)，當(dāng)外科醫(yī)生對(duì)模擬手術(shù)刀施加壓力時(shí)，線性驅(qū)動(dòng)器可以上下移動(dòng)對(duì)身體的某一部分施加一定的壓力，這個(gè)壓力對(duì)應(yīng)的就是模擬手術(shù)刀上的壓力。

以協(xié)作機(jī)器人為例，協(xié)作機(jī)器人的抓手（或手）裝置中采用了觸覺(jué)反饋設(shè)計(jì)，這些抓手通常包含一個(gè)用于識(shí)別被握持物體的手腕攝像頭，以及為觸覺(jué)提供輸入力——力矩轉(zhuǎn)化的傳感器。

大多數(shù)工作人員通過(guò)按鈕、操縱桿、鍵盤(pán)或數(shù)字接口（圖3）來(lái)與協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)交流和控制，然而這就像它們對(duì)人類一樣，語(yǔ)音和觸覺(jué)可以成為協(xié)作機(jī)器人更加有效交流的媒介。

圖3：手勢(shì)和語(yǔ)音識(shí)別可以取代協(xié)作機(jī)器人的操作界面

觸覺(jué)和眼睛的移動(dòng)是另一種感官組合，同樣可以幫助改善人類與協(xié)作機(jī)器人之間的互動(dòng)方式。當(dāng)人類要指向一個(gè)物體時(shí)，它會(huì)先朝著這個(gè)物體的方向看，協(xié)作機(jī)器人的視覺(jué)傳感器可以捕捉這種預(yù)期行為，從而提供關(guān)于人類的行為的判定結(jié)果，同樣技術(shù)也可以幫助協(xié)作機(jī)器人將這種判定結(jié)果傳達(dá)給人類?，F(xiàn)在機(jī)器人可以借助投影儀將目標(biāo)物體或者行動(dòng)路線照亮。

總結(jié)

與任何新興的技術(shù)一樣，實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人與人類更加高效的交流工作仍然面臨著許多的挑戰(zhàn)，就像“鋼鐵俠”中托尼·斯塔克（Tony Stark）一樣，人類會(huì)不會(huì)覺(jué)得協(xié)作機(jī)器人會(huì)更令人沮喪而不是更加有用呢？

如今大多數(shù)機(jī)器人都集成了高級(jí)的語(yǔ)音和視覺(jué)識(shí)別功能來(lái)幫助人類，然而協(xié)作機(jī)器人缺乏的能力是對(duì)連續(xù)內(nèi)容的理解以及對(duì)復(fù)雜情況及時(shí)做出反應(yīng)。人工智能對(duì)于協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)真正的交互、預(yù)測(cè)和溝通是至關(guān)重要的，尤其是當(dāng)它們需要將某些復(fù)雜的任務(wù)交給人類來(lái)處理時(shí)，這在自動(dòng)駕駛汽車領(lǐng)域是一直存在的問(wèn)題。

比較樂(lè)觀的是在“鋼鐵俠”這部電影接近尾聲的時(shí)候，托尼·斯塔克因?yàn)闊o(wú)法拿到旁邊桌子上的人造心臟而奄奄一息的關(guān)鍵時(shí)刻，Dum-E弄清楚了托尼的意圖并及時(shí)幫助了他，挽救了托尼的生命。托尼抬頭看著Dum-E說(shuō)到“好孩子”。協(xié)作機(jī)器人與人類之間建立這種程度的信任或許是目前最困難也是最有價(jià)值的目標(biāo)了。