我的领导是个机器人
我的领导是个机器人 时间:2013-07-17 09:39 来源:环球科学（huanqiukexue.com） 当身穿柠檬绿色焊工夹克的迈克尔·道森-哈格蒂（Michael Dawson-Haggerty）满面春风地冲进我的办公室时，我就知道他和搭档赢了。他们参加了一个测试：与一队具有十多年焊接经验的专家比赛，看谁能更快地为一辆“悍马”（一种越野车）焊接出车体的金属框架。
这是道森－哈格蒂的第一份专业工作。他刚刚获得了硕士学位，随后进入了卡内基·梅隆大学的机器人研究所担任工程师，所以他刚开始比赛时还有一点紧张也情有可原。其实，我更担心的是他的搭档，虽然“他”足够可靠，但总的说来还是缺乏人类的技巧。 这里所说的那个“他”是一个机器人，同那些巨大的、我们经常能在福特或通用汽车公司的生产线上见到的工业机器人相似。然而，这些“毫无人性”的、动作迅猛的自动化机械“怪兽”需要在保护罩里运行，以保证人们处于安全距离以外。与那些机器人不同，这个4米高，具有一个机械臂、名为“喷火”（Spitfire）的焊接机器人经过我们的改进，配备了一部可以充当“眼睛”的激光器，能同人类并肩工作。此外，在工作中并不是由道森－哈格蒂下达命令，这个“两人”小组的合作更像是以另一种方式进行：首先，根据谁能更有效地完成某项任务，道森－哈格蒂和“喷火”会将那些颇具难度的定位和焊接工作进行分配，并由机器人来指挥工序的进行。其中，做出决定的往往是机器人，而非人类。 经过如此的分工合作，道森－哈格蒂和他的机器人搭档花费了10个小时和1 150美元（包括原材料和人工费用）来焊接出这个框架；而作为对照组，我们雇的焊接专家完成同样的工作花费了89个小时不说，还收了我们7 075美元！ 人类若能同机器人合作（或反之），所带来的潜在经济效益将是巨大的。工厂将不再需要耗时耗力地设置那些繁琐的组装线，可节省数十亿美元的设备安装费用。对畅销产品进行改进也不是什么问题：人类与机器人合作组，能为客户设计、制造从电子设备到飞机的任何定制产品，而不需要进行昂贵的设备革新。这项技术将能让制造企业迅速对用户需求作出响应，产品的更新周期将以数周，而不是数年来计算，工人们也能从多变的工作挑战中获得回报。由于以上种种以及其他更多原因，我们需要认识到：最终由机器人来领导工作团队，而非仅仅从事生产，效率可能会更高。 安全的合作 有一个问题总能引发很多的讨论——究竟什么才是“机器人”？在机器人研究领域，对它的定义是能够自动感知、思考和行事的机器。这其实并不完全准确，你家空调的温度调节器就能做到这三点，你却不会认为你的房子是一个机器人。两者的区别在于，温度调节器只是房子中的一个小部件。只有当“机器人自动化”体现于某一物体的核心功能的时候，该物体本身才能被认为是一个机器人。比方说一辆自动驾驶汽车，如果它能用传感器和人工智能来实现自动驾驶时（汽车的基本功能），它就变成了一个机器人。 过去半个多世纪里，制造企业已经在通过使用工业机器人实现自动化，来提高生产效率，并且它们工作得很出色。虽然机器人一直被用作执行特定的重复性操作（例如为生产线上的每辆汽车焊接一组特定的接口），但是人类已经对生产线进行了精心的安排和设置，来充分利用机器人强大的力量和高度的精确性。总部位于瑞士苏黎世的ABB公司的顾纯元博士说：“利用先进的机器人，制造企业能够大幅提高产品质量和工业生产率，同时也能提高能源效率，帮助中国等国家实现产业转型和升级。” 这种模式在生产汽车这类大批量制造的产品时很有效。比如ABB公司最近就宣布，将为位于中国重庆的长安福特公司的新工厂，提供整条白车身机器人焊装生产线（白车身是指完成焊接但未涂装之前的车身），这条生产线不仅可以支持不同车型的生产，还能让长安福特的生产效率提高15%。然而，随着个性化或定制生产需求的增加，制造企业要越来越多地根据用户需求制造小批量产品，而用于设定制造工序（例如焊接或加工）所需的时间就成了一个主要瓶颈。让机器人从事特定工作需要的准备时间太长，有时得好几个月。其间人们必须安排焊接顺序，重新组装部件，为机器人编写程序，准备库存材料，以及优化焊接参数。
充满活力的“二人”组：合理的分工会促进效率。照片中，灵巧的人类（卡内基·梅隆大学的工程师迈克尔·道森-哈格蒂）正在将一块钢条放置到位（左），好让机器人进行精确焊接（右）。 道森－哈格蒂这样的人类同工业机器人的合作，能够极大缩减重新设置工序所需的时间。以前，程序员使用特殊的代码来告诉机器人如何运作。现在，一个产品的计算机辅助设计（computer-aided design，CAD）文件，就是设置一条智能生产线的全部所需，计算程序随后会将文件中的设计翻译成机器人的任务清单。 然而，设计生产线并不是唯一的挑战。机器人和人类曾有过糟糕的合作经历：工业机器人不停地从这儿移动到那儿，而且根据其“本性”，它们不达目的不罢休，无论是否有人类挡在前面。制造企业为它们的机器人编程，让它们一遍又一遍地重复同样的工作，直到某个部件损坏为止。如果有障碍物阻挡了它的移动，工业机器人就会进入错误状态并自动关机。这种情况虽然比碾过什么人要好些，但对生产没什么好处。想象一下，如果人类和这些“同事”只是在彼此互相过于接近时暂停一下，就可以少耽误多少工作？ 下一代工业机器人将得到本质上的改变，可以足够安全地在人类周围工作。如果一部机器人不慎撞到了人，其撞击力应该不是致命的，或者压根就不足以带来危险。机器人将了解厂房里人类所处的位置，并且它们应该能够运用声音、姿势、“面部表情”、文字、图形等手段，同它们的人类同事交流。 机器人生产商已经在生产符合现代制造业劳动力需求的机器人了。比如，ABB公司研制了具有两个机械臂的“弗里达”机器人（Frida），可以安全地在人类周围工作。与此同时，总部位于美国波士顿、由iRobot公司创始人之一罗德尼·布鲁克斯（Rodney Brooks）建立的“新思维机器人公司”，研发出了“巴克斯特”机器人。它不仅具有两个机械臂，还装备有一个传感器阵列，所以对它编程要比前几代机器人都容易。 利用简单的学习算法和图像处理，操控员就能人工引导这部机器人做一系列动作，来实现对“巴克斯特”的编程，然后它将重复这些动作。例如，如果一个人为“巴克斯特”演示，如何从运行的传送带上捡起部件，“巴克斯特”就会改写相应程序，来学习做出同样的动作，即便是部件出现在传送带上的时间和位置都不固定的情况下也能如此。 位于美国加利福尼亚州门洛帕克市的Willow Garage公司，已经研制出了一部名为PR2的移动展示机器人，拥有两条“胳膊”、一个“脑袋”和一个传感器阵列。与“弗里达”和“巴克斯特”类似，这家公司设计PR2的初衷，就是用来安全地同人类并肩工作。在卡内基·梅隆大学，我们还让PR2机器人做“服务生”，在嘈杂混乱的环境中为客人们提供饮料和点心。 分工合作 “喷火”不仅能向人类学习，它还足够聪明，能指导人类工作。“喷火”会将一个大工程分割成小步骤，并客观地根据“谁”（机器人或人类）能更快地完成，来分配这些任务，而不会主观地优先考虑某一方。 道森－哈格蒂和“喷火”的车架焊接工作，始于从车框架的CAD文件中提取“物料清单”。基于这份清单，机器人中的计算机自动安排从供应商处订购哪些部件，及如何将标准尺寸的钢管切割到精确的长度。随后，计算机会计划最佳的焊接工序，并给出部件的最佳固定方式，来让它们在焊接过程中保持稳定。 我们还为“喷火”装备了一部小型投影仪，让它能够直接将图像和文字投射到框架上。这些图像增强了实体的表现性，机器人能用它一步一步地引导道森－哈格蒂，来设置复杂的制造进程，包括车间里部件和装置的配送，以及焊接工序等。道森－哈格蒂将所有的材料部件都放置到位——从事这些通常被认为是“苦力”的工作，人类其实是更好的选择。因为这些相对较轻的部件形状多变，人类的手很容易握住它们。 “喷火”还能使用激光位移传感器来精确感知三维工作空间，并检查确认所有部件都被正确地放置。利用投影仪和传感器，它能用光在车框架上标注出精确的位置，并在焊接装配过程中指引人类工作。 这个焊接小组将需要焊接的部件安排好之后，“喷火”就接手进行快速的焊接工作。“喷火”不仅仅是一个动作极快的焊接工——完成一个5厘米的焊接只需5秒钟，它的焊接技术也是超一流的。通常，在开始每一项焊接工作之前，专业焊接工要调整约20项重要的焊接参数，例如电压、焊接速度、焊条的补料速率等。在实验中，我们引导“喷火”来设置试焊接工作，其间它可以独立运行，来对所有这些变量进行最优化。随着这些试焊接的进行，“喷火”会测试这些试焊接的效果，并调节自身的设置来进行改进。可以说，这部机器人通过自学而成为了一名专业的焊接工。 考虑到车框架需要400个焊点，“喷火”的高速和高质量的焊接能力是巨大的优势。但是，“喷火”还不完美。在某些情况下，这部机器人无法完成一些特定的焊点，所以它会指引道森－哈格蒂过来帮忙，完成一些棘手的工作。 前途光明 虽然现在还很难准确预言，多久以后人类与机器人合作组才能首次在工厂中闪亮登场——制造企业在引进新技术时往往拖拖拉拉，但是由于智能自动化的明显优势，应该能够促使它们在未来5年内接受这种协作系统。自1952年库尔特·冯尼古特（Kurt Vonegut）在其小说《自动钢琴》中提到“黑灯”生产（自动工厂完成全部工作，不需要人类参与，也就不需要灯光照明）以来，我们眼中的先进生产已经历了很长一段发展过程。小说中，随着故事的进行，自动化让人类劳动力成为过时产品，但同时，也让人类因自身毫无意义的生活而心生怨恨。这是一条无法接受的 （也是不必要的）道路。 相比之下，更好的一条发展道路是，机器人和人类紧密合作，并根据二者的能力来对生产进行动态分配。我们希望，人类也能在深度参与生产制造的过程中得到快乐，即便时不时地让机器人发号施令也无妨。 （撰文 戴维·伯恩（David Bourne）） |
