東芝創(chuàng )業(yè)者之一，人稱(chēng)“機關(guān)儀右衛門(mén)”的田中久重，因在日本江戶(hù)時(shí)代（1603年-1868年）制作出“射箭童子”等可進(jìn)行高難度動(dòng)作的機器人而聞名于世。傳承創(chuàng )業(yè)者的“智”造DNA，長(cháng)久以來(lái)，東芝一直致力于機器人的開(kāi)發(fā)事業(yè)。

在“機關(guān)儀右衛門(mén)”時(shí)代，機器人的存在意義僅在于技術(shù)本身，而現在的機器人開(kāi)發(fā)事業(yè)主要是為了滿(mǎn)足社會(huì )需求。如今，21世紀的第一個(gè)20年即將過(guò)去，東芝究竟研究出了何種“機關(guān)”呢，這些“機關(guān)”又能滿(mǎn)足哪些社會(huì )需求呢？

一、機器人高度智能化，創(chuàng )造未來(lái)無(wú)限可能

隨著(zhù)社會(huì )的不斷發(fā)展，勞動(dòng)人口減少導致的勞動(dòng)力嚴重不足已成為當前社會(huì )的一大難題。勞動(dòng)力不足的問(wèn)題遠遠要比我們想象的嚴重，它對各行各業(yè)都有影響，特別是物流行業(yè)。近年來(lái)，一個(gè)沖擊性詞匯“物流崩潰”出現在了人們的視野，這才讓整個(gè)社會(huì )意識到勞動(dòng)力嚴重不足已成為刻不容緩的問(wèn)題。

東芝在解決這個(gè)問(wèn)題的道路上從未停下腳步。為滿(mǎn)足制造、流通、物流等行業(yè)的需求，東芝此前也開(kāi)發(fā)過(guò)各式各樣的機器人。早在1967年，東芝就開(kāi)發(fā)出了世界首臺具有手寫(xiě)識別功能的“郵編自動(dòng)讀取分揀機”。該機器與翌年（1968年）開(kāi)始實(shí)行的郵編制度完美結合，采用機械化方式處理長(cháng)期依靠人工操作的郵包分揀工作，為處于快速成長(cháng)期的日本提供了強有力的支撐。目前，東芝在該領(lǐng)域仍占有較高的市場(chǎng)份額。

1967年推出的世界首臺實(shí)用手寫(xiě)郵編自動(dòng)讀取分揀機

該“郵編自動(dòng)讀取分揀機”采用機械化方式代替以前的人工操作，即：“查看收件地址，進(jìn)行分揀作業(yè)”，這大幅提高了工作效率。僅從該項操作來(lái)看，機械化作業(yè)速度遠超人工，且24小時(shí)持續作業(yè)，無(wú)需休息。但是郵政業(yè)務(wù)的全過(guò)程是“將投遞到郵箱的郵包準確地送達至收件地址”，就整個(gè)鏈條而言，仍有很多工作需要人工完成。

與郵政行業(yè)一樣，制造、流通、物流等行業(yè)也引進(jìn)了機器人，負責完成各種自動(dòng)化作業(yè)。盡管如此， “物流崩潰”仍成為了一項社會(huì )問(wèn)題。因為，“物流崩潰”問(wèn)題的根源在于勞動(dòng)力不足。要想解決這一難題，我們需要實(shí)現更廣泛領(lǐng)域的自動(dòng)化，即：需要在“必須由人類(lèi)完成”的作業(yè)領(lǐng)域實(shí)現自動(dòng)化。

二、取代人類(lèi)作業(yè)，機器人必備哪些功能？

傳統工業(yè)機器人擅長(cháng)重復性作業(yè)，換而言之，它們不擅長(cháng)根據周?chē)h(huán)境和情況來(lái)改變作業(yè)內容。這是因為機器人不具備人類(lèi)特有的能力。雖然它們能夠在預先設想的一定范圍內進(jìn)行判斷作業(yè)，但無(wú)法實(shí)現非定型作業(yè)（即：應對無(wú)限增加的新情況，選擇高效方法進(jìn)行作業(yè)） 。

為了讓機器人勝任這種非定型作業(yè)，就需要實(shí)現機器人智能化，即：觀(guān)察、思考、行動(dòng)。具體而言，“觀(guān)察”能力即“識別技術(shù)”，“思考”能力即“規劃技術(shù)”，“行動(dòng)”能力即“機構控制技術(shù)”。

但隨著(zhù)智能機器人在作業(yè)時(shí)與人類(lèi)的距離的逐漸縮小，在涉及機器人技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)，我們必須確保其建立在人類(lèi)安全的“安全設計技術(shù)”基礎之上。

人類(lèi)是通過(guò)視覺(jué)和觸覺(jué)等感官來(lái)感知周?chē)闆r的。為了讓機器人能像人類(lèi)一樣觀(guān)察、確認周?chē)闆r，需要更高端的“識別技術(shù)”。

例如，想要從雜亂堆積、形態(tài)各異的物體中正確地抓取目標，這就需要有“物體輪廓提取技術(shù)”的支持，即：正確判斷目標位置存在何種物體，各種物體是如何放置的。

在判斷物體輪廓的技術(shù)領(lǐng)域，東芝的判斷精度已達世界領(lǐng)先水平※1

¹V. Pham et al. “BiSeg: Simultaneous Instance Segmentation and Semantic Segmentation with Fully Convolutional Networks”. The Proceedings of the British Machine Vision Conference 2017

這種識別技術(shù)對于控制“行動(dòng)”的“機構控制技術(shù)”而言，是不可或缺的信息獲取手段。

傳統的機器人通過(guò)追蹤（識別）導軌及地板上的標記等實(shí)現正確移動(dòng)。而在現有的識別技術(shù)支撐下，機器人能夠對標準位置與當前位置進(jìn)行比較，判斷出自身位置，即使在沒(méi)有導軌和標記的地方，也能正確、自如地移動(dòng)。這是機器人自行判斷并繪制最佳路線(xiàn)時(shí)必備的功能。

如上所述，可以說(shuō)識別技術(shù)的目標就是賦予機器人像人眼一樣的視覺(jué)能力。

通過(guò)識別技術(shù)判斷自身位置。利用圖像判斷自身位置，無(wú)需地板上的導軌或標記

用于“思考”的“規劃技術(shù)”是根據識別技術(shù)獲取到的信息，讓機器人具備自行思考并行動(dòng)的能力。

例如，要抓取箱子內的物品時(shí)，人類(lèi)思考的是，想抓取的物品在哪里，大小及重量如何，為避免碰到箱子內側及其他物品又應該如何伸出自己的手臂。

但對機器人而言，需要規劃動(dòng)作，即：如何移動(dòng)機器人手臂，才能在不碰撞周?chē)锲返那疤嵯?，抓取到目標物品?/b>迄今為止，這個(gè)動(dòng)作規劃一直是在人類(lèi)指示下完成的。但是，機器人未來(lái)將會(huì )根據自身收集的信息進(jìn)行思考，規劃動(dòng)作。這便是規劃技術(shù)。機器人制定“動(dòng)作規劃”時(shí)的實(shí)現方式是：根據識別技術(shù)獲取到的信息，在計算機制作的模型空間內反復模擬操作，規劃出最佳動(dòng)作方案。

一旦完成“動(dòng)作規劃”，下一步就是實(shí)際“行動(dòng)”了。這種“行動(dòng)”所需的技術(shù)就是“機構控制技術(shù)”。這在人類(lèi)看來(lái)，也可以說(shuō)是“用于實(shí)現靈巧動(dòng)作的技術(shù)”

為達到“靈巧動(dòng)作”的目標，東芝認為必需具備的最低性能標準是：通過(guò)模擬操作制定機器人手臂的動(dòng)作規劃，并按照規劃正確移動(dòng)機器人手臂。

例如，人類(lèi)將貨物放入箱內時(shí)，會(huì )把貨物靠著(zhù)箱子邊緣放置。為了讓貨物靠近箱子邊緣，人類(lèi)會(huì )用眼睛觀(guān)察并確認箱子邊緣，然后將貨物放在靠近箱子邊緣的位置。再緩慢向箱壁推動(dòng)貨物，感覺(jué)到貨物碰到箱壁的反作用力時(shí)，則確認貨物已靠緊箱子邊緣，此時(shí)，才會(huì )松手。

而讓機器人手臂實(shí)現這些人類(lèi)的無(wú)意識動(dòng)作則要復雜很多，需要“用于實(shí)現靈巧動(dòng)作的技術(shù)”。

具體而言，就是通過(guò)安裝于機器人手臂上的“力覺(jué)傳感器”，檢測出貨物與箱壁的接觸行為，實(shí)現動(dòng)作的靈巧性。

在機器人手臂上安裝能夠檢測箱壁與貨物接觸行為的“力覺(jué)傳感器”后，則可以像人類(lèi)一樣，將貨物靠緊箱邊放置。

此外，貨物形狀通常也不是固定的。如果堆積得雜亂無(wú)章，則可能出現傾斜情況。除貨物大小和形狀外，貨物重量也各不相同。這種差異對于人手來(lái)說(shuō)可以靈活應對。例如，改變抓取傾斜物體時(shí)的手勢及搬起重物時(shí)的姿勢等。為了發(fā)揮與人類(lèi)相近的靈巧性，東芝開(kāi)發(fā)出了具有“復合抓取功能”的機器人手臂，用于抓取各種形狀的物體。

復合抓取機構，用于抓取大小、重量、形狀各異的物體

三、機器人使用安全升級

機器人走向高度智能化，這讓機器人動(dòng)作更靈巧，其目的是：讓機器人取代人類(lèi)，完成上面所述的“必須由人類(lèi)完成”的作業(yè)。然而，在其取代人類(lèi)后我們首先要考慮的，就是“確保安全性”。

由于人類(lèi)與機器人的距離變近，出現事故的風(fēng)險增高。為確保安全性，需要將機器人與人類(lèi)的作業(yè)區域分開(kāi)，并進(jìn)行全面管理。

一直以來(lái)，機器人都需要人類(lèi)從旁輔助，以承擔部分作業(yè)，機器人的作業(yè)區域與人類(lèi)非常接近。人與人之間即便有接觸，危險性也很小。但人類(lèi)與機器人接觸，則可能引發(fā)重大事故，因此，為了確保人類(lèi)安全，必須引進(jìn)以ISO13849-1等為標準的“安全設計技術(shù)”。

安全設計技術(shù)的基本原則之一就是“隔離原則”。即：機器人作業(yè)區域和人類(lèi)作業(yè)區域互不干涉的原則。但存在的問(wèn)題是：目前機器人只是取代人類(lèi)的部分作業(yè)，因此，難以實(shí)現與人類(lèi)作業(yè)區域互不干涉的要求。

針對此問(wèn)題，東芝采用“作業(yè)區域選擇算法”，為了實(shí)現與人類(lèi)互不干涉的要求，開(kāi)發(fā)出了讓機器能夠選擇作業(yè)區域并自律移動(dòng)的系統，從而確保了人類(lèi)的安全。此外，與AGV（無(wú)人搬運車(chē)）控制動(dòng)作的控制器不同，東芝配備了獨立的速度監視模塊，能夠始終進(jìn)行客觀(guān)的監視，判斷“是否在一定速度之下行駛”，以確保安全。

東芝認為，機器人涉及的所有技術(shù)都應建立在確保人類(lèi)安全的基礎之上。在基礎構思階段，將機器人可能傷害人類(lèi)的悲劇徹底排除，這才是最重要的課題。