装在天花板的机器人、软体泡沫夹爪…丰田研究中心展望家用机器人系统方案！
近日，丰田研中心（TRI）展示了他们近期正在进行的一些项目，其中包括移动机器人、安装在天花板的机器人、软体泡沫夹爪等，这些机器人目标是实现家庭环境的使用。正如TRI首席执行官Gill·Pratt强调的：丰田正专注于机器人和人工智能技术，“目标是实现机器人辅助人类，而不是取代人类”，以便人们在变老的时候仍然能够独立生活和工作。
△ 丰田家用机器人场景
机器人的潜力和挑战
根据联合国（UnitedNations）的数据，未来30年，全球65岁以上人口预计将增加一倍以上。这意味着到2050年，全球将有超过15亿人年满65岁。人口老龄化将对社会、劳动力和经济产生深远影响。为了给为日益老龄化的劳动力提供帮助，机器人与自动化技术将会有巨大的需求。它能够帮助人们完成更多任务和工作，让人们有更多的时间与家人在一起，做自己喜欢的事。
TRI认为，机器人现在还没大规模有出现在家庭场景中，因为机器人专家还没有弄清楚如何让机器人在复杂、非结构化的人类日常生活环境中可靠地工作。不像工厂，那里的环境是结构化的、可编程的，一般情况下的人类环境，是非结构化的和多样化的。例如，每个家庭都是独一无二的，有不同的物品组合，并且在时刻发生变化。
TRI要集中精力于家用机器人，这反映了TRI试图做一件长远的事情，因为家庭是我们最需要机器人的地方，同时也是最难部署机器人的地方。除家庭环境的不可预测性，另一个事实就是家里往往住着对安全性要求极高的人类，目前机器人仍不满足高安全性要求。但随着人口老龄化的持续（这在日本是一个日益严重的问题），室内场景应用的巨大潜力是确定的。
△ Toyota Robot
在过去的几年里，丰田在前瞻性机器人研究方面投入了更多的精力。除了搭建丰田研究中心，丰田还计划在富士山旁边建造一座占地175英亩、由机器人驱动的未来城市。就连丰田自己也承认这可能是疯狂的，但这就是他们正在做的——正如TRI首席执行官Gill Pratt不久前所说，当丰田决定做某件事时，他们真的会全力以赴。
安装在天花板的家庭机器人
在考虑家庭机器人解决方案时，TRI团队也在考虑一些更激进的想法。其中一个创新的概念是“悬挂式机器人”。
我们通常看到机器人局限在地板上、桌子上或移动基座上的原因是我们是两足动物，而不是蝙蝠，如果你给机器人一个类似于人类的行为模式，让它进入一个人类的工作空间是很容易做到的。但如果你想要抓取高处的东西，或许天花板是布置未来家庭机器人的好地方。“悬挂机器人”可以执行诸如装载洗碗机、擦拭表面和清理杂物等任务。通过在天花板上滑行，机器人规避了家庭地板杂乱和狭窄空间的导航问题，不用的时候，机器人还可以把自己缩成一团，腾出宝贵的生活空间。为了进一步研究这一想法，TRI团队已经完成了样机，在高空移动导轨的支持下，它可以做所有与地面移动机器人相同的任务。
△ 悬挂机器人，可以执行诸如装载洗碗机、擦拭表面和清理杂物等任务
该方案的挑战在于必须在天花板上安装导轨系统，但是，如果你打造了一个这样的机器人家庭，突然间你会发现，楼梯对于机器人不再是一个问题；负载大概也不是问题，因为负载可以转移到天花板上；电池变得不必要，所以整个机器人可以更轻的重量，这反过来使它更安全。
软体泡沫夹爪
为了满足在机器人与室内环境交互时对软接触的需求，TRI的研究人员开发了具有高密度的触觉感知能力的新型软爪。
△ 软体泡沫夹爪
这是一个“软体泡沫夹爪”，由TRI的剑桥分部开发。这些被动顺从的充气夹持器使它更容易安全地抓住许多不同种类的物体，最妙的是，泡沫夹爪中集成了摄像头，用于观察软膜腔体内部的圆点图案。
△ DepthSensors inside bubbles
当气泡的外部与物体接触时，气泡就会变形，而内部的圆点图案的变形可以被摄像机跟踪，以确定力的方向和大小。TRI解决方案的聪明之处在于：应对相对复杂的抓取任务时，在保证了末端执行器安全的同时，能够兼顾传感任务。
△ Dots usedfor shear estimate
仿真与自主学习
为了解决机器人在家庭环境中面临的多样性，TRI教会机器人用各种各样的对象执行任意任务，而不是给机器人编程，让它用特定的对象执行特定的预定义任务。通过这种方式，机器人学会了将所看到的与所教的动作联系起来。当机器人再次看到一个特定的物体或场景时，即使场景发生了轻微的变化，它也知道可以根据所看到的采取什么行动。
△ TRI正在实验和模拟能够在水槽和洗碗机中操作盘子的机器人
利用人类教学是机器人学习和获得真实世界技能的一个关键方法。通过使用虚拟现实技术，人类教练可以实时看到机器人看到的东西，然后命令机器人执行各种不同的动作。TRI的机器人团队正致力于推广这种学习方式，如果一个机器人在模拟家庭厨房中学习了擦拭任务，它就可以在任何厨房中完成同样的任务。
TRI在工程仿真和机器人行为验证方面都做了大量的投资。为了教会机器人一种新的行为，或者改进它已经知道的行为，TRI的模拟软件提供了一种方法来理解机器人的表现，而不必在每次改变时都执行所有的任务。
△ Simulationtools
利用装盘子机器人和清理杂物的实验，在模拟中自动改善机器人的行为，从而真实提高机器人的性能。即使在硬件和测试设施有限的情况下，使用模拟工具也可以促进机器人的成长。
研究现状
在位于加州洛斯阿尔托斯的TRI总部，一个由Jeremy Ma和Dan Helmick领导的研究小组正在一个新的“模拟家庭”中测试机器人。在这样的研究环境中，TRI可以重新安排地板布局或移动物体，允许TRI开发基本的机器人能力，然后在一个真实的家庭中测试它们。这个模拟的房子有一个厨房，餐厅，浴室和生活空间，类似于在一个实际的房子。
△ 机器人与模拟家庭
开发很大程度上依赖于用户体验调查，例如在COVID-19出现之前，团队成员去日本拜访老年人的家，观察他们的日常生活，记录他们的痛点，分析了项目的挑战和机遇。他们计划在今年年底前完成模拟房屋的建造，期待“模拟家庭”能成为丰田未来机器人的重要基石。
开发团队访谈
要了解更多细节，IEEE向TRI发送了一些问题，关于计划如何从开发到可以在人类环境中部署真实产品。以下是TRI首席执行官、丰田汽车公司首席科学家Gill Pratt；TRI高级用户体验设计师SteffiPaepcke；以及TRI的机器人副总裁Max Bajracharya的回答。
IEEE Spectrum：与我们报道的大多数机器人技术研究相比，TRI似乎更明确地关注最终的商业化。在什么情况下，TRI开始考虑可靠性和成本之类的问题?
Gill Pratt：这是一个非常有趣的问题，因为通常认为，可靠性和成本都是量产开发的任务，但实际上，我们需要在研究初期考虑它。我们在实验室里做实验用的硬件，我们不用担心成本，也不用担心最终产品的成本。然而，就我们所做的研究而言，我们非常需要考虑的是，是否有可能（如果研究成功的话）最终生产出成本合理的产品。因为如果顾客买不起我们的产品，它可能有一些学术价值，但实际上不会对他们在现实世界中的生活质量产生影响。所以我们从一开始就非常看重成本。
可靠性也是如此。现在，我们正在努力使我们的控制技术能够适应环境的广泛变化，例如，在在水槽中洗碗过程，我们现在正在做的成千上万的不同类型的物理测试和模拟实验，以确保我们可以适用不同场景。
我们做了大量的工作，试图让机器人不仅仅局限于演示。在机器人技术的历史中，有一段时间，事情并不完全可信，开发者们只向世界展示捕捉到的成功视频，人们就会产生一种错误的印象，认为机器人一直都在工作。当然，也有一些研究人员也展示了拍摄花絮，以表明有些时候机器人无法工作。
IEEE Spectrum：本着分享失败的精神，你能告诉我们一些关于TRI正在开发的机器人？它们没有进入昨天的演示，因为它们在开发的过程中被遗弃了？
Steffi Paepcke：我们正在研究如何将人们联系起来，之前已经开发了一些样机，但不得不暂时搁置起来。因为目前还正在探索如何解决光线问题，让人们跨越距离，清晰地看到彼此。项目的内部名称是“glowing orb” 。由于各种各样的原因，这个方法没有奏效，但研究保持联系的不同方式真的很有趣。
另一个研究发现，购买杂货显然是生活中重要的一部分，对很多老年人来说，总是送货上门不一定是最受欢迎的答案。起床走出家门可以让你保持活力，很多人喜欢自己继续这样做。但这是有挑战性的，尤其是当你购买需要搬运的重型物品时。我们有一个样机，协助超市购物，但是当我们的注意力聚焦日本，我们发现室内需求的日本家庭，真的需要机器人呆在室内，而外部需求需要机器人呆在外面，因此将两个场景整合到一起的机器人可能并不适合日本的用户，这些都是非常宝贵的经验。
IEEE Spectrum：我很高兴TRI正在探索像悬挂式机器人这样的东西，不仅是近期研究，也是其长期愿景的一部分，但这样的机器人真的值得投入吗？或者更笼统地说，在让机器人对环境友好和要求人类改变自己的家园之间，什么才是正确的折中方法？如果说需要翻新一所房子，那显然也不是做这事的方法。
Max Bajracharya：我们考虑了很多问题，我们试图用一种整体的方式来解决这些问题。我们不想仅仅给人们一个机器人，并假设他们不会改变他们的生活方式。我们从使用自动吸尘器的人那里得到了很多证据，他们会适应你给他们的工具，他们会改变他们的生活方式。所以我们想要思考在改变环境和给人们机器人之间的平衡点是什么。
我们坚信有办法使悬挂系统可行。你今天看到的这个显然是一个样机，需要重要的基础设施。但我们仍然觉得我们处于样机阶段，我们分析悬挂系统的优缺点的同时，我们同样评估是否值得这样做来绕过导航的挑战。我们正在评估这是否是解决问题的正确方法。
IEEE Spectrum：你认为人类应该在多大程度上直接或间接地参与家庭和服务机器人的活动？
Bajracharya：我们的目标是增强人的能力，所以实现这一点需要机器人以某种形式与人形成合作。我们了解到的一件事是，让人类和机器人一起做一个缓慢循环交互，比如在机器人犯错时教他们或帮助他们，相比较一个100%完美地完成每件事的机器人，这将给机器人带来了一个重要的优势。在非结构化的人类环境中，机器人会遇到困境，需要学会适应。在帮助机器人学习方面，人们可能会扮演重要的角色。
参考资料：
1. Toyota Research DemonstratesCeiling-Mounted Home Robot. By Evan Ackerman.
2. How Toyota Research Envisions the Futureof Robots. By Evan Ackerman
3. Soft-Bubble grippers for robust andperceptive manipulation. Naveen Kuppuswamy, etc.
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