東芝創(chuàng)業(yè)者之一，人稱“機(jī)關(guān)儀右衛(wèi)門”的田中久重，因在日本江戶時(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(jī)器人而聞名于世。傳承創(chuàng)業(yè)者的“智”造DNA，長(zhǎng)久以來，東芝一直致力于機(jī)器人的開發(fā)事業(yè)。

在“機(jī)關(guān)儀右衛(wèi)門”時(shí)代，機(jī)器人的存在意義僅在于技術(shù)本身，而現(xiàn)在的機(jī)器人開發(fā)事業(yè)主要是為了滿足社會(huì)需求。如今，21世紀(jì)的第一個(gè)20年即將過去，東芝究竟研究出了何種“機(jī)關(guān)”呢，這些“機(jī)關(guān)”又能滿足哪些社會(huì)需求呢？

一、機(jī)器人高度智能化，創(chuàng)造未來無限可能

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，勞動(dòng)人口減少導(dǎo)致的勞動(dòng)力嚴(yán)重不足已成為當(dāng)前社會(huì)的一大難題。勞動(dòng)力不足的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比我們想象的嚴(yán)重，它對(duì)各行各業(yè)都有影響，特別是物流行業(yè)。近年來，一個(gè)沖擊性詞匯“物流崩潰”出現(xiàn)在了人們的視野，這才讓整個(gè)社會(huì)意識(shí)到勞動(dòng)力嚴(yán)重不足已成為刻不容緩的問題。

東芝在解決這個(gè)問題的道路上從未停下腳步。為滿足制造、流通、物流等行業(yè)的需求，東芝此前也開發(fā)過各式各樣的機(jī)器人。早在1967年，東芝就開發(fā)出了世界首臺(tái)具有手寫識(shí)別功能的“郵編自動(dòng)讀取分揀機(jī)”。該機(jī)器與翌年（1968年）開始實(shí)行的郵編制度完美結(jié)合，采用機(jī)械化方式處理長(zhǎng)期依靠人工操作的郵包分揀工作，為處于快速成長(zhǎng)期的日本提供了強(qiáng)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(tái)實(shí)用手寫郵編自動(dòng)讀取分揀機(jī)

該“郵編自動(dòng)讀取分揀機(jī)”采用機(jī)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(xiàng)操作來看，機(jī)械化作業(yè)速度遠(yuǎn)超人工，且24小時(shí)持續(xù)作業(yè)，無需休息。但是郵政業(yè)務(wù)的全過程是“將投遞到郵箱的郵包準(zhǔn)確地送達(dá)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(jī)器人，負(fù)責(zé)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(xiàng)社會(huì)問題。因?yàn)椋拔锪鞅罎ⅰ眴栴}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(xiàn)更廣泛領(lǐng)域的自動(dòng)化，即：需要在“必須由人類完成”的作業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。

二、取代人類作業(yè)，機(jī)器人必備哪些功能？

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人擅長(zhǎng)重復(fù)性作業(yè)，換而言之，它們不擅長(zhǎng)根據(jù)周圍環(huán)境和情況來改變作業(yè)內(nèi)容。這是因?yàn)?b>機(jī)器人不具備人類特有的能力。雖然它們能夠在預(yù)先設(shè)想的一定范圍內(nèi)進(jìn)行判斷作業(yè)，但無法實(shí)現(xiàn)非定型作業(yè)（即：應(yīng)對(duì)無限增加的新情況，選擇高效方法進(jìn)行作業(yè)） 。

為了讓機(jī)器人勝任這種非定型作業(yè)，就需要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化，即：觀察、思考、行動(dòng)。具體而言，“觀察”能力即“識(shí)別技術(shù)”，“思考”能力即“規(guī)劃技術(shù)”，“行動(dòng)”能力即“機(jī)構(gòu)控制技術(shù)”。

但隨著智能機(jī)器人在作業(yè)時(shí)與人類的距離的逐漸縮小，在涉及機(jī)器人技術(shù)開發(fā)時(shí)，我們必須確保其建立在人類安全的“安全設(shè)計(jì)技術(shù)”基礎(chǔ)之上。

人類是通過視覺和觸覺等感官來感知周圍情況的。為了讓機(jī)器人能像人類一樣觀察、確認(rèn)周圍情況，需要更高端的“識(shí)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(biāo)，這就需要有“物體輪廓提取技術(shù)”的支持，即：正確判斷目標(biāo)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(dá)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(shí)別技術(shù)對(duì)于控制“行動(dòng)”的“機(jī)構(gòu)控制技術(shù)”而言，是不可或缺的信息獲取手段。

傳統(tǒng)的機(jī)器人通過追蹤（識(shí)別）導(dǎo)軌及地板上的標(biāo)記等實(shí)現(xiàn)正確移動(dòng)。而在現(xiàn)有的識(shí)別技術(shù)支撐下，機(jī)器人能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)位置與當(dāng)前位置進(jìn)行比較，判斷出自身位置，即使在沒有導(dǎo)軌和標(biāo)記的地方，也能正確、自如地移動(dòng)。這是機(jī)器人自行判斷并繪制最佳路線時(shí)必備的功能。

如上所述，可以說識(shí)別技術(shù)的目標(biāo)就是賦予機(jī)器人像人眼一樣的視覺能力。

通過識(shí)別技術(shù)判斷自身位置。利用圖像判斷自身位置，無需地板上的導(dǎo)軌或標(biāo)記

用于“思考”的“規(guī)劃技術(shù)”是根據(jù)識(shí)別技術(shù)獲取到的信息，讓機(jī)器人具備自行思考并行動(dòng)的能力。

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

但對(duì)機(jī)器人而言，需要規(guī)劃動(dòng)作，即：如何移動(dòng)機(jī)器人手臂，才能在不碰撞周圍物品的前提下，抓取到目標(biāo)物品。迄今為止，這個(gè)動(dòng)作規(guī)劃一直是在人類指示下完成的。但是，機(jī)器人未來將會(huì)根據(jù)自身收集的信息進(jìn)行思考，規(guī)劃動(dòng)作。這便是規(guī)劃技術(shù)。機(jī)器人制定“動(dòng)作規(guī)劃”時(shí)的實(shí)現(xiàn)方式是：根據(jù)識(shí)別技術(shù)獲取到的信息，在計(jì)算機(jī)制作的模型空間內(nèi)反復(fù)模擬操作，規(guī)劃出最佳動(dòng)作方案。

一旦完成“動(dòng)作規(guī)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(jī)構(gòu)控制技術(shù)”。這在人類看來，也可以說是“用于實(shí)現(xiàn)靈巧動(dòng)作的技術(shù)”

為達(dá)到“靈巧動(dòng)作”的目標(biāo)，東芝認(rèn)為必需具備的最低性能標(biāo)準(zhǔn)是：通過模擬操作制定機(jī)器人手臂的動(dòng)作規(guī)劃，并按照規(guī)劃正確移動(dòng)機(jī)器人手臂。

例如，人類將貨物放入箱內(nèi)時(shí)，會(huì)把貨物靠著箱子邊緣放置。為了讓貨物靠近箱子邊緣，人類會(huì)用眼睛觀察并確認(rèn)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，感覺到貨物碰到箱壁的反作用力時(shí)，則確認(rèn)貨物已靠緊箱子邊緣，此時(shí)，才會(huì)松手。

而讓機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)這些人類的無意識(shí)動(dòng)作則要復(fù)雜很多，需要“用于實(shí)現(xiàn)靈巧動(dòng)作的技術(shù)”。

具體而言，就是通過安裝于機(jī)器人手臂上的“力覺傳感器”，檢測(cè)出貨物與箱壁的接觸行為，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的靈巧性。

在機(jī)器人手臂上安裝能夠檢測(cè)箱壁與貨物接觸行為的“力覺傳感器”后，則可以像人類一樣，將貨物靠緊箱邊放置。

此外，貨物形狀通常也不是固定的。如果堆積得雜亂無章，則可能出現(xiàn)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(duì)于人手來說可以靈活應(yīng)對(duì)。例如，改變抓取傾斜物體時(shí)的手勢(shì)及搬起重物時(shí)的姿勢(shì)等。為了發(fā)揮與人類相近的靈巧性，東芝開發(fā)出了具有“復(fù)合抓取功能”的機(jī)器人手臂，用于抓取各種形狀的物體。

復(fù)合抓取機(jī)構(gòu)，用于抓取大小、重量、形狀各異的物體

三、機(jī)器人使用安全升級(jí)

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

由于人類與機(jī)器人的距離變近，出現(xiàn)事故的風(fēng)險(xiǎn)增高。為確保安全性，需要將機(jī)器人與人類的作業(yè)區(qū)域分開，并進(jìn)行全面管理。

一直以來，機(jī)器人都需要人類從旁輔助，以承擔(dān)部分作業(yè)，機(jī)器人的作業(yè)區(qū)域與人類非常接近。人與人之間即便有接觸，危險(xiǎn)性也很小。但人類與機(jī)器人接觸，則可能引發(fā)重大事故，因此，為了確保人類安全，必須引進(jìn)以ISO13849-1等為標(biāo)準(zhǔn)的“安全設(shè)計(jì)技術(shù)”。

安全設(shè)計(jì)技術(shù)的基本原則之一就是“隔離原則”。即：機(jī)器人作業(yè)區(qū)域和人類作業(yè)區(qū)域互不干涉的原則。但存在的問題是：目前機(jī)器人只是取代人類的部分作業(yè)，因此，難以實(shí)現(xiàn)與人類作業(yè)區(qū)域互不干涉的要求。

針對(duì)此問題，東芝采用“作業(yè)區(qū)域選擇算法”，為了實(shí)現(xiàn)與人類互不干涉的要求，開發(fā)出了讓機(jī)器能夠選擇作業(yè)區(qū)域并自律移動(dòng)的系統(tǒng)，從而確保了人類的安全。此外，與AGV（無人搬運(yùn)車）控制動(dòng)作的控制器不同，東芝配備了獨(dú)立的速度監(jiān)視模塊，能夠始終進(jìn)行客觀的監(jiān)視，判斷“是否在一定速度之下行駛”，以確保安全。

東芝認(rèn)為，機(jī)器人涉及的所有技術(shù)都應(yīng)建立在確保人類安全的基礎(chǔ)之上。在基礎(chǔ)構(gòu)思階段，將機(jī)器人可能傷害人類的悲劇徹底排除，這才是最重要的課題。