原创深度 | 协作机器人：模仿人类的复杂性仅仅是个开始（一）

在漫威娱乐出品的第一部钢铁侠电影中，主角托尼·斯塔克(Tony Stark)开发了一个大型机械助手，命名为Dum-E。作为目前工业级制造机器人的缩小版和更加安全的版本，Dum-E具备足够的语音和手势识别能力，此外还可以进行运动控制，帮助托尼完成很多的工作。

Dum-E不仅展示了协作机器人(cobot)的巨大潜力，而且还展示其关键的功能。例如这台协作机器人可以与托尼一起工作，在维修设备的过程中帮助托尼拿着钢铁战甲的机械靴子。然后托尼会对着它大喊大叫，让它停止到处喷洒阻燃剂；它不情愿的放下手臂，发出一声叹息，以此来表示它理解。协作机器人保证人类的安全——保护托尼免受火灾——体现了对阿西莫夫机器人第一定律的坚持：机器人不能够伤害人类或因为自己的不作为而让人类受到伤害。

开发协作机器人需要创建很多复杂的系统来感知、交流，并且能够与人类一起安全的四处活动。

为了帮助人类，协作机器人使用了一系列技术来模拟人类的基本感官和环境，然而五官感觉必须与内在感受（感知内部状态）和本体感受（对本体位置的感知）结合起来，这样才能够实现类似人类的整个活动过程。此外协作机器人还必须能够进行通信和移动，这就需要另一套系统来与人类进行交谈、理解和进行互相帮助。

所有的协作机器人都使用了一些模仿人类基本感官的技术组合：视觉、听觉、味觉、嗅觉和触觉（图1），这五种感觉属于外部感知的范畴，即对外界刺激的敏感度。

图1：这个图描述了五种感觉：视觉（眼）、听觉（耳朵）、嗅觉（鼻子）、味觉（舌头）和触觉（手）

为了能够帮助人类，协作机器人必须拥有一系列环境感知传感器来执行任务，从而避免不必要的麻烦。协作机器人常见的外部感受传感器包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉、温度、加速度和距离等。

为了能够自我维护，机器人必须能够获取它们内部的状态。这与人类的相互感觉相对应，即感知身体内在状态的能力，比如消化、呼吸和疲劳等。举个例子，一个协作机器人必须知道它的电池什么时候需要充电，然后要主动去寻找充电器。另一个例子是协作机器人要能够感知过高的温度，当它内部的发热致使温度过高时就会无法在人类身边工作了。其他相互感知的例子还有感知光、接触等，下文我们很快就会讲到。

外部和内部的感知对于协作机器人的操作和维护是至关重要的，但是要对人类有用，大多数协作机器人还必须具备本体感受。由于大脑的相互作用和解释，本体感受使得人体能够在不看四肢的情况下移动和控制它们。

对于人类来讲这使得人类能够感知身体各部分的相对位置，并且感知运动所需要的力量。人体的本体感受器官包括肌肉、肌腱和关节等。对于协作机器人来说本体感受的功能主要依赖机电制动器和电机来模拟，本体感受的测量包括关节位置、关节速度和运动力矩。

声音和运动不是感官，但是是人类和机器人交流和执行任务所必须的。协作机器人需要语音通信来判别所听到的内容，从而提醒人类注意潜在的危险。语音合成的硬件和软件可以用来模拟人类的声音。

现在人工智能（AI）开始使人类和协作机器人之间进行实际的对话成为可能。机器人能够理解人类语言中的细微差别，比如聊天、半句话、笑声，甚至发出“啊哈”等不确定词汇时也能够听懂。共享资源比如会话层是机器人正在学习的另一个概念，为了防止交谈的混乱，机器人被限制一次只能与一个人进行明确的对话。

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