這是道森－哈格蒂的第一份專業(yè)工作。他剛剛獲得了碩士學(xué)位，隨后進(jìn)入了卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究所擔(dān)任工程師，所以他剛開始比賽時還有一點緊張也情有可原。其實，我更擔(dān)心的是他的搭檔，雖然“他”足夠可靠，但總的說來還是缺乏人類的技巧。
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/ U. k E- f* i4 n這里所說的那個“他”是一個機(jī)器人，同那些巨大的、我們經(jīng)常能在福特或通用汽車公司的生產(chǎn)線上見到的工業(yè)機(jī)器人相似。然而，這些“毫無人性”的、動作迅猛的自動化機(jī)械“怪獸”需要在保護(hù)罩里運行，以保證人們處于安全距離以外。與那些機(jī)器人不同，這個4米高，具有一個機(jī)械臂、名為“噴火”（Spitfire）的焊接機(jī)器人經(jīng)過我們的改進(jìn)，配備了一部可以充當(dāng)“眼睛”的激光器，能同人類并肩工作。此外，在工作中并不是由道森－哈格蒂下達(dá)命令，這個“兩人”小組的合作更像是以另一種方式進(jìn)行：首先，根據(jù)誰能更有效地完成某項任務(wù)，道森－哈格蒂和“噴火”會將那些頗具難度的定位和焊接工作進(jìn)行分配，并由機(jī)器人來指揮工序的進(jìn)行。其中，做出決定的往往是機(jī)器人，而非人類。
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經(jīng)過如此的分工合作，道森－哈格蒂和他的機(jī)器人搭檔花費了10個小時和1 150美元（包括原材料和人工費用）來焊接出這個框架；而作為對照組，我們雇的焊接專家完成同樣的工作花費了89個小時不說，還收了我們7 075美元！
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人類若能同機(jī)器人合作（或反之），所帶來的潛在經(jīng)濟(jì)效益將是巨大的。工廠將不再需要耗時耗力地設(shè)置那些繁瑣的組裝線，可節(jié)省數(shù)十億美元的設(shè)備安裝費用。對暢銷產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)也不是什么問題：人類與機(jī)器人合作組，能為客戶設(shè)計、制造從電子設(shè)備到飛機(jī)的任何定制產(chǎn)品，而不需要進(jìn)行昂貴的設(shè)備革新。這項技術(shù)將能讓制造企業(yè)迅速對用戶需求作出響應(yīng)，產(chǎn)品的更新周期將以數(shù)周，而不是數(shù)年來計算，工人們也能從多變的工作挑戰(zhàn)中獲得回報。由于以上種種以及其他更多原因，我們需要認(rèn)識到：最終由機(jī)器人來領(lǐng)導(dǎo)工作團(tuán)隊，而非僅僅從事生產(chǎn)，效率可能會更高。
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安全的合作
2 I7 ?, W# M6 L% n g4 V1 ?# [. t6 p有一個問題總能引發(fā)很多的討論——究竟什么才是“機(jī)器人”？在機(jī)器人研究領(lǐng)域，對它的定義是能夠自動感知、思考和行事的機(jī)器。這其實并不完全準(zhǔn)確，你家空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)器就能做到這三點，你卻不會認(rèn)為你的房子是一個機(jī)器人。兩者的區(qū)別在于，溫度調(diào)節(jié)器只是房子中的一個小部件。只有當(dāng)“機(jī)器人自動化”體現(xiàn)于某一物體的核心功能的時候，該物體本身才能被認(rèn)為是一個機(jī)器人。比方說一輛自動駕駛汽車，如果它能用傳感器和人工智能來實現(xiàn)自動駕駛時（汽車的基本功能），它就變成了一個機(jī)器人。
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, I9 Y& {! G* Q過去半個多世紀(jì)里，制造企業(yè)已經(jīng)在通過使用工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)自動化，來提高生產(chǎn)效率，并且它們工作得很出色。雖然機(jī)器人一直被用作執(zhí)行特定的重復(fù)性操作（例如為生產(chǎn)線上的每輛汽車焊接一組特定的接口），但是人類已經(jīng)對生產(chǎn)線進(jìn)行了精心的安排和設(shè)置，來充分利用機(jī)器人強(qiáng)大的力量和高度的精確性�？偛课挥谌鹗刻K黎世的ABB公司的顧純元博士說：“利用先進(jìn)的機(jī)器人，制造企業(yè)能夠大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量和工業(yè)生產(chǎn)率，同時也能提高能源效率，幫助中國等國家實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級�！�
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這種模式在生產(chǎn)汽車這類大批量制造的產(chǎn)品時很有效。比如ABB公司最近就宣布，將為位于中國重慶的長安福特公司的新工廠，提供整條白車身機(jī)器人焊裝生產(chǎn)線（白車身是指完成焊接但未涂裝之前的車身），這條生產(chǎn)線不僅可以支持不同車型的生產(chǎn)，還能讓長安福特的生產(chǎn)效率提高15%。然而，隨著個性化或定制生產(chǎn)需求的增加，制造企業(yè)要越來越多地根據(jù)用戶需求制造小批量產(chǎn)品，而用于設(shè)定制造工序（例如焊接或加工）所需的時間就成了一個主要瓶頸。讓機(jī)器人從事特定工作需要的準(zhǔn)備時間太長，有時得好幾個月。其間人們必須安排焊接順序，重新組裝部件，為機(jī)器人編寫程序，準(zhǔn)備庫存材料，以及優(yōu)化焊接參數(shù)。
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充滿活力的“二人”組：合理的分工會促進(jìn)效率。照片中，靈巧的人類（卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的工程師邁克爾·道森-哈格蒂）正在將一塊鋼條放置到位（左），好讓機(jī)器人進(jìn)行精確焊接（右）。
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道森－哈格蒂這樣的人類同工業(yè)機(jī)器人的合作，能夠極大縮減重新設(shè)置工序所需的時間。以前，程序員使用特殊的代碼來告訴機(jī)器人如何運作�，F(xiàn)在，一個產(chǎn)品的計算機(jī)輔助設(shè)計（computer-aided design，CAD）文件，就是設(shè)置一條智能生產(chǎn)線的全部所需，計算程序隨后會將文件中的設(shè)計翻譯成機(jī)器人的任務(wù)清單。
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然而，設(shè)計生產(chǎn)線并不是唯一的挑戰(zhàn)。機(jī)器人和人類曾有過糟糕的合作經(jīng)歷：工業(yè)機(jī)器人不停地從這兒移動到那兒，而且根據(jù)其“本性”，它們不達(dá)目的不罷休，無論是否有人類擋在前面。制造企業(yè)為它們的機(jī)器人編程，讓它們一遍又一遍地重復(fù)同樣的工作，直到某個部件損壞為止。如果有障礙物阻擋了它的移動，工業(yè)機(jī)器人就會進(jìn)入錯誤狀態(tài)并自動關(guān)機(jī)。這種情況雖然比碾過什么人要好些，但對生產(chǎn)沒什么好處。想象一下，如果人類和這些“同事”只是在彼此互相過于接近時暫停一下，就可以少耽誤多少工作？
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下一代工業(yè)機(jī)器人將得到本質(zhì)上的改變，可以足夠安全地在人類周圍工作。如果一部機(jī)器人不慎撞到了人，其撞擊力應(yīng)該不是致命的，或者壓根就不足以帶來危險。機(jī)器人將了解廠房里人類所處的位置，并且它們應(yīng)該能夠運用聲音、姿勢、“面部表情”、文字、圖形等手段，同它們的人類同事交流。
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' d- L% p% g$ a' Z機(jī)器人生產(chǎn)商已經(jīng)在生產(chǎn)符合現(xiàn)代制造業(yè)勞動力需求的機(jī)器人了。比如，ABB公司研制了具有兩個機(jī)械臂的“弗里達(dá)”機(jī)器人（Frida），可以安全地在人類周圍工作。與此同時，總部位于美國波士頓、由iRobot公司創(chuàng)始人之一羅德尼·布魯克斯（Rodney Brooks）建立的“新思維機(jī)器人公司”，研發(fā)出了“巴克斯特”機(jī)器人。它不僅具有兩個機(jī)械臂，還裝備有一個傳感器陣列，所以對它編程要比前幾代機(jī)器人都容易。
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4 u V+ Q6 G- E- t. A* x4 V3 N, G利用簡單的學(xué)習(xí)算法和圖像處理，操控員就能人工引導(dǎo)這部機(jī)器人做一系列動作，來實現(xiàn)對“巴克斯特”的編程，然后它將重復(fù)這些動作。例如，如果一個人為“巴克斯特”演示，如何從運行的傳送帶上撿起部件，“巴克斯特”就會改寫相應(yīng)程序，來學(xué)習(xí)做出同樣的動作，即便是部件出現(xiàn)在傳送帶上的時間和位置都不固定的情況下也能如此。
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位于美國加利福尼亞州門洛帕克市的Willow Garage公司，已經(jīng)研制出了一部名為PR2的移動展示機(jī)器人，擁有兩條“胳膊”、一個“腦袋”和一個傳感器陣列。與“弗里達(dá)”和“巴克斯特”類似，這家公司設(shè)計PR2的初衷，就是用來安全地同人類并肩工作。在卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)，我們還讓PR2機(jī)器人做“服務(wù)生”，在嘈雜混亂的環(huán)境中為客人們提供飲料和點心。
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# Y" y, X/ `7 `5 |/ ^$ w1 F分工合作
. k8 }, w% L) Z2 g) y/ x- X“噴火”不僅能向人類學(xué)習(xí)，它還足夠聰明，能指導(dǎo)人類工作�！皣娀稹睍䦟⒁粋�大工程分割成小步驟，并客觀地根據(jù)“誰”（機(jī)器人或人類）能更快地完成，來分配這些任務(wù)，而不會主觀地優(yōu)先考慮某一方。
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道森－哈格蒂和“噴火”的車架焊接工作，始于從車框架的CAD文件中提取“物料清單”�；谶@份清單，機(jī)器人中的計算機(jī)自動安排從供應(yīng)商處訂購哪些部件，及如何將標(biāo)準(zhǔn)尺寸的鋼管切割到精確的長度。隨后，計算機(jī)會計劃最佳的焊接工序，并給出部件的最佳固定方式，來讓它們在焊接過程中保持穩(wěn)定。
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4 O/ y8 C' _8 O我們還為“噴火”裝備了一部小型投影儀，讓它能夠直接將圖像和文字投射到框架上。這些圖像增強(qiáng)了實體的表現(xiàn)性，機(jī)器人能用它一步一步地引導(dǎo)道森－哈格蒂，來設(shè)置復(fù)雜的制造進(jìn)程，包括車間里部件和裝置的配送，以及焊接工序等。道森－哈格蒂將所有的材料部件都放置到位——從事這些通常被認(rèn)為是“苦力”的工作，人類其實是更好的選擇。因為這些相對較輕的部件形狀多變，人類的手很容易握住它們。
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“噴火”還能使用激光位移傳感器來精確感知三維工作空間，并檢查確認(rèn)所有部件都被正確地放置。利用投影儀和傳感器，它能用光在車框架上標(biāo)注出精確的位置，并在焊接裝配過程中指引人類工作。
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這個焊接小組將需要焊接的部件安排好之后，“噴火”就接手進(jìn)行快速的焊接工作�！皣娀稹辈粌H僅是一個動作極快的焊接工——完成一個5厘米的焊接只需5秒鐘，它的焊接技術(shù)也是超一流的。通常，在開始每一項焊接工作之前，專業(yè)焊接工要調(diào)整約20項重要的焊接參數(shù)，例如電壓、焊接速度、焊條的補(bǔ)料速率等。在實驗中，我們引導(dǎo)“噴火”來設(shè)置試焊接工作，其間它可以獨立運行，來對所有這些變量進(jìn)行最優(yōu)化。隨著這些試焊接的進(jìn)行，“噴火”會測試這些試焊接的效果，并調(diào)節(jié)自身的設(shè)置來進(jìn)行改進(jìn)�？梢哉f，這部機(jī)器人通過自學(xué)而成為了一名專業(yè)的焊接工。
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) B( A& }. u0 V$ a1 Y6 c考慮到車框架需要400個焊點，“噴火”的高速和高質(zhì)量的焊接能力是巨大的優(yōu)勢。但是，“噴火”還不完美。在某些情況下，這部機(jī)器人無法完成一些特定的焊點，所以它會指引道森－哈格蒂過來幫忙，完成一些棘手的工作。
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3 o+ K" x8 t& b+ Z" l3 Z I5 G F前途光明
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雖然現(xiàn)在還很難準(zhǔn)確預(yù)言，多久以后人類與機(jī)器人合作組才能首次在工廠中閃亮登場——制造企業(yè)在引進(jìn)新技術(shù)時往往拖拖拉拉，但是由于智能自動化的明顯優(yōu)勢，應(yīng)該能夠促使它們在未來5年內(nèi)接受這種協(xié)作系統(tǒng)。自1952年庫爾特·馮尼古特（Kurt Vonegut）在其小說《自動鋼琴》中提到“黑燈”生產(chǎn)（自動工廠完成全部工作，不需要人類參與，也就不需要燈光照明）以來，我們眼中的先進(jìn)生產(chǎn)已經(jīng)歷了很長一段發(fā)展過程。小說中，隨著故事的進(jìn)行，自動化讓人類勞動力成為過時產(chǎn)品，但同時，也讓人類因自身毫無意義的生活而心生怨恨。這是一條無法接受的 （也是不必要的）道路。
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0 {" ?+ t) I* U& C# {2 d5 f& T相比之下，更好的一條發(fā)展道路是，機(jī)器人和人類緊密合作，并根據(jù)二者的能力來對生產(chǎn)進(jìn)行動態(tài)分配。我們希望，人類也能在深度參與生產(chǎn)制造的過程中得到快樂，即便時不時地讓機(jī)器人發(fā)號施令也無妨。
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（撰文 戴維·伯恩（David Bourne））
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! l1 g! d6 p4 L" T本文來自《環(huán)球科學(xué)》2013年第6期，轉(zhuǎn)載請注明出處
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發(fā)表于 2013-8-8 19:12:52
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