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在中國(guó)，西門子中國(guó)研究院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正在探索實(shí)現(xiàn)未來工業(yè)環(huán)境中人機(jī)交互的基本功能。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是開發(fā)“數(shù)據(jù)手套”以捕捉和傳遞人手的運(yùn)動(dòng)、手勢(shì)和壓力，從而向機(jī)器人描述復(fù)雜的指令和展示安全處理各種物體的方法。

自1952年*亮相以來，工業(yè)機(jī)器人一直給人以龐大、沉重、靜止、對(duì)人類構(gòu)成危險(xiǎn)，且只能執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的重復(fù)性任務(wù)的印象。盡管這些描述基本符合事實(shí)，但微電子、傳感器、聯(lián)網(wǎng)和算法等技術(shù)的不斷發(fā)展，為半自主機(jī)器人新紀(jì)元的到來做好了準(zhǔn)備。

此外，產(chǎn)品的復(fù)雜度與日俱增，人們對(duì)個(gè)性化解決方案的需求也日益增長(zhǎng)。這兩個(gè)看似矛盾的趨勢(shì)互相融合，推動(dòng)了重大變革的發(fā)生。由此，以輕型工業(yè)機(jī)器人為特征的靈活生產(chǎn)概念成為了新的關(guān)注焦點(diǎn)。輕型工業(yè)機(jī)器人可以經(jīng)濟(jì)、輕松地完成重新部署。較為重要的是，它們能夠安全地與人類并肩工作。隨著這些新特性的不斷發(fā)展，它們將為德國(guó)“工業(yè)4.0”概念中所展望的短周期、小批量生產(chǎn)打開大門，同時(shí)也為自主助手的出現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

在進(jìn)行特定任務(wù)的訓(xùn)練時(shí)，機(jī)械臂必須知道應(yīng)該對(duì)物體施加多大壓力，以確保準(zhǔn)確抓取并實(shí)現(xiàn) 移動(dòng)序列。

用手套“交談”
現(xiàn)在，西門子正沿著這個(gè)方向，開展廣泛深入的研發(fā)工作。例如，在中國(guó)，一組西門子中國(guó)研究院的研究人員正在探索用于實(shí)現(xiàn)未來工業(yè)環(huán)境中人機(jī)交互的基本功能。乍看起來，自然語(yǔ)言處理或許是促進(jìn)交互的 技術(shù)，因?yàn)樗粌H高效，而且已經(jīng)發(fā)展成熟。由蘋果公司開發(fā)的Siri就使用了自然語(yǔ)言處理技術(shù)。然而，在嘈雜的工廠環(huán)境中，它卻并非理想之選。因此，西門子中國(guó)研究院的研究人員正在開發(fā)數(shù)據(jù)手套，以捕捉人手的運(yùn)動(dòng)和手勢(shì)，從而向機(jī)器人描述復(fù)雜的指令。

目前，一只原型數(shù)據(jù)手套已在測(cè)試階段。它裝配了17個(gè)帶有慣性傳感器和磁性傳感器的微電子機(jī)械系統(tǒng)。通過整合來自傳感器的輸入，手套的手勢(shì)（包括每只手指的運(yùn)動(dòng)）將被合并傳送到“受訓(xùn)”的機(jī)械臂與機(jī)械手處，以實(shí)時(shí)執(zhí)行特定任務(wù)。隨著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)將被用來訓(xùn)練機(jī)器人，教它們識(shí)別以手勢(shì)表達(dá)的越來越復(fù)雜的指令，向機(jī)器人分配高級(jí)任務(wù)，以及教會(huì)機(jī)器人新的技能。

機(jī)械臂與機(jī)械手在進(jìn)行任務(wù)訓(xùn)練時(shí)必須學(xué)會(huì)對(duì)各類物體施加不同的壓力，這樣才能優(yōu)化抓取和移動(dòng)的動(dòng)作。在這方面，數(shù)據(jù)手套*。例如，西門子的原型手套配有作用力反饋功能，這就在人手與機(jī)器人之間形成了交互閉環(huán)。數(shù)據(jù)手套的指尖裝有由微控制器驅(qū)動(dòng)的壓電陶瓷元件。當(dāng)抓握特定物體時(shí)，手套可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確壓力值的不同頻率和振幅的振動(dòng)。一旦接收到這些數(shù)據(jù)，機(jī)械手就可以根據(jù)自身壓力傳感器返回的實(shí)時(shí)反饋，向物體施加適當(dāng)壓力。

在博士的帶領(lǐng)下，西門子中國(guó)研究院的研究人員正在開發(fā)數(shù)據(jù)手套。

數(shù)據(jù)手套可以捕捉人手的運(yùn)動(dòng)和手勢(shì)，向機(jī)器人傳遞復(fù)雜指令。

當(dāng)數(shù)據(jù)手套的用戶執(zhí)行手部動(dòng)作時(shí)，傳感器將實(shí)時(shí)記錄輸入并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至受訓(xùn)機(jī)械臂。

請(qǐng)將扳手遞給我
在高度靈活的未來生產(chǎn)環(huán)境中，機(jī)器人將無(wú)暇參加長(zhǎng)期培訓(xùn)。同人類工人一樣，它們要現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用。作為朝這個(gè)方向邁出的*步，西門子中國(guó)研究院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一套算法，讓機(jī)器人能夠執(zhí)行一項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)任務(wù)：抓取未知物體。這項(xiàng)任務(wù)雖然對(duì)人類而言輕而易舉，但對(duì)于機(jī)器人卻挑戰(zhàn)性，因?yàn)闄C(jī)器人必須自主決定正確的抓取手勢(shì)和與目標(biāo)物體的接觸點(diǎn)。有趣的是，這項(xiàng)任務(wù)的解決方案是以Xbox游戲機(jī)所用微軟設(shè)備Kinect為基礎(chǔ)開發(fā)出來的。

Kinect可以同時(shí)捕捉圖像中的深度數(shù)據(jù)和紅綠藍(lán)（RGB）數(shù)據(jù)。前者用于確定抓取手勢(shì)，而后者則用于計(jì)算抓取點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)組合，機(jī)器人可以將目標(biāo)物體與周圍圖像分離，并把它代入基于極限學(xué)習(xí)算法的模型。這個(gè)過程將順序生成一組 抓取點(diǎn)。前文中已經(jīng)提到，在抓取物體時(shí)，機(jī)器人需要注意施加的作用力水平。一方面，作用力應(yīng)當(dāng)足夠大以確保抓牢；另一方面，作用力也應(yīng)當(dāng)足夠小，以免損壞物體。目前，工程師可以預(yù)先設(shè)定作用力水平，并通過安裝在機(jī)器人抓取裝置上的壓力傳感器來完成監(jiān)測(cè)。然而，這種情況也將改變，因?yàn)橐惶鬃赃m應(yīng)的作用力控制機(jī)制已在研發(fā)當(dāng)中。

安全*
如果機(jī)器人助手真的能與人類并肩工作，那么安全將是一項(xiàng)重要的課題。為此，西門子中國(guó)研究院的研究人員正在研發(fā)基于阻抗控制理論的全新控制機(jī)制，它可以同時(shí)控制機(jī)械臂的位置和作用力。只要人類工人明確規(guī)定作用力的大值，這種機(jī)器人就能夠推算出 運(yùn)動(dòng)，從而在保持高準(zhǔn)確度的情況下成為安全的自主助手。目前，研究人員正在研發(fā)阻抗控制型末端執(zhí)行器來檢驗(yàn)可能的模型和算法。這種模型和算法將控制機(jī)器人在動(dòng)作過程中對(duì)物體施加的作用力。例如，末端執(zhí)行器的一個(gè)可能的應(yīng)用便是以恒定作用力水平打磨器件。

阻抗控制技術(shù)還可以應(yīng)用在機(jī)器人編程中。傳統(tǒng)的機(jī)器人編程不僅專業(yè)性很強(qiáng)，而且費(fèi)時(shí)、昂貴。工程師要接受專業(yè)培訓(xùn)，并進(jìn)行大量實(shí)踐練習(xí)。但阻抗控制型機(jī)器人助手可以在培訓(xùn)領(lǐng)域開啟一片新天地。在這種培訓(xùn)中，僅通過示范，機(jī)器人就可以同時(shí)完成學(xué)習(xí)與編程。這些示范動(dòng)作可以被分解為不同的拖、放過程，機(jī)械臂通過一系列“教學(xué)點(diǎn)”學(xué)習(xí)特定的位置和手勢(shì)。如此，機(jī)器人助手就能學(xué)會(huì)整個(gè)程序并可精確重復(fù)。對(duì)于快速變動(dòng)的命令與需求，這種模式將成為一種簡(jiǎn)單而靈活的解決方案。