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新智元推荐1 原文：国金证券研究报告 日本是世界机器人大国。1980 年被日本业界认定为机器人元年,其后 25 年间服务机 器人得到了飞速发展。尤其是 2001 年提出的 RT 战略和 2015 年发布的机器人新战略,提出要建立世界第一的机器人应用社会,使机器人随处可见。以 “建立人与机器人互动的共生社会”为理念,服务机器人更多样化,向社会生活的各个角落普及。 2015 年 1 月日本公布了“机器人新战略”,旨在通过通过 5 年计划,实现三大核心目标,确保日本在机器人领域的世界领先地位。三大核心目标即: “世界机器人创新基地”：彻底巩固机器人产业的培育能力; “世界第一的机器人应用社会”：使机器人随处可见; “迈向领先世界的机器人新时代”：通过网络连接,形成数据驱动型社会。 技 术 篇 会造人的日本男人-石黑浩。 石黑浩被称为日本现代机器人之父,是日本大阪大学智能机器人研究所的教授,还是一名机器人工程师以及国际电气通信基础技术研究所ATR 石黑浩特别研究室负责人。他的研究课题范围几乎围绕机器人:机器视觉、机器人与环境交互,以及人机智能信息平台。一切都是为了让机器人更像人。 2006 年,石黑浩研制出了一个与自己完全一样的机器人,并在同年入美国《时代》周刊的“2006 年最佳发明”。该机器人采用压缩空气和小型传动器驱动,全身有 46 处地方可以自由活动。内部程序都是根据石黑浩的动作设计而成,不论眨眼或眼球转动等习惯动作,都和本人如出一辙。
2008 年,石黑浩推出外形酷似一个 5 岁的日本小女孩的机器人 Repliee R-1。这款儿童机器人能够完成日常任务,用于帮助老年人和残疾人士,比如:取拿物品什么的。石黑浩希望这款机器人能够帮助人们克服与机器人产生交互反应的不适应性。
2010 年,石黑浩制造了一款外形似 20 多岁日俄混血女性的机器人 Gemnoid F。它采用一种动作捕捉系统,能够做出眨眼、微笑、皱眉等 65 种不同面部表情,皮肤由柔软的硅胶研制,肤色逼真度极高,更能像真人发声、对话、唱歌等。Gemnoid F 最广为人知,并已经作为主角出演了一部电影“再见”。
完成的作品中隐含着创作者的灵魂。这是石黑浩的理念,也是他认为构建人与机器人共生的社会的指导思想。以下是石黑浩实验室的其他产品,都隐含着这一理念:无腿便携式通信机器人 Telenoid R1,可以模仿在千里之外的亲朋好友的声音和表情,让人们远距离“聊天” 。 无腿便携式通信机器人 Telenoid R1 东京大学开发出可高速奔跑的双足机器人。 东京大学系统信息学专业的石川正俊教授主导了该项研究。这款机器人采用基于摄像头的视觉反馈控制技术,实现了高速奔跑。其奔跑速度为每小时 4.2 公里,足部运动速度 (步速)为每秒 6 步。脚长为 14cm。要让人类大小的机器人实现如此快的足部运动,必须使用具有强大扭矩的致动器,但如果达到了这一速度, 单纯按人类的脚长换算,ACHIRES 的速度大约相当于每小时 20 公里。这与一流马拉松运动员的速度差不多。
ACHIRES 采用了基于摄像头的视觉反馈控制技术。利用安装在机器人外侧的摄像头,以 600 帧/秒的帧频测量机器人的姿态,并将测量结果用于控制。在其足部的三个位置设置标记,用 PC 对其进行图像处理, 从而掌握机器人的姿态。ACHIRES 奔跑时,存在“空中相”,即两脚同时离开地面的时间段。这一时间段,机器人同时使用编码器和视觉反馈技术,使双足在空中时也能让足部做出动作、恢复姿态。 因为省去了致动器的散热部件,该机器人最多只能连续奔跑 10 秒钟左右,之后必须停下几分钟来冷却。开发这款机器人的更大意义在于探索超高速视觉系统在机器人领域的应用。石川教授表示,“将来打算把超高速视觉反馈技术用于工厂生产线上使用的机器人等,用于活动速度快得肉眼无法看清的用途”。 小企业开发的 5 指机械手,宛如真人,抓生鸡蛋而不破。 日本的一家小企业 SQUSE 开发出了拥有 5 根手指的机械手。该机械手可与人类的手一样, 通过“抓”、“握”、“捏”等动作来拿取食品等柔软的物体。除成功实现了 “抓住生鸡蛋而不破”这一公认机械手难以做到的动作之外,还可轻柔地稳稳拿起容易破碎的寿司、包子及棉花糖等。
采用 5 指设计,机器人便可直接操控人类所使用的工具。开发人员用硅胶材料制作了接近人类皮肤的外皮。利用外皮的曲面来抓取对象物, 能够以包入的状态轻柔地抓握。将机械手实物拿到眼前,其逼真程度令人吃惊。试着握手时,该机械手轻柔握回的力,甚至让人有种正与活人握手的错觉。手指的动作用人造肌肉来实现,在各个手指中嵌入了利用气压来收缩的真空管型人造肌肉,通过输入输出空气来运动。 夹力(抓取物体的力)最大约为 200g,可抓起最重约 500g 的物体, 未来也可以作为人造假肢。 电装的手术支援机器人,减轻执刀医生手颤影响。日本电装公司推出了与信州大学及东京女子医科大学共同开发的自动追踪型支撑臂“iArmS”。这款产品用于脑神经外科以及耳鼻喉科,定价为 980 万日元。iArmS 可以在静止时牢固支撑住医生的手腕,在移动过程中轻快地追踪手腕的动作,从而减轻手腕的颤动和疲劳状况。手腕的支撑部分配备力量传感器,可以掌握医生的意图,自动地在“Hold”和“Free”等动作模式间往返。iArmS 采用在任何位置都能与胳膊重量保持平衡的设计,而且不使用马达的构造,从而确保了安全性。
丰田开发行走康复辅助机器人。丰田推出了两款为行走等康复训练提供辅助的机器人“行走练习助手”和“平衡练习助手”;以及在家庭生活中帮助主人完成捡拾掉落的物品等生活琐事的“生活辅助机器人”。 行走练习助手是一款能让因下肢麻痹而无法自如行走的人练习步行的辅助机器人。将其穿在病腿上,就能辅助向前迈腿及伸开膝部来支撑体重的动作。具有将腿部穿戴部分吊起的机构,可减轻练习者承受的机器人重量负荷,还可根据练习者的恢复程度改变机器人提供的辅助力度,以及监测关节角度等行走数据,并将步行状态以音像方式实时告知练习者的功能。
平衡练习助手可为无法自如控制平衡的人提供辅助,以玩游戏的感觉轻松坚持康复训练。该机器人中用到了丰田的站乘式移动辅助机器人 “Winglet”的两轮倒立摆技术,可使练习者前后左右的体重移动与游戏中的人物联动。设定了可进行重心移动练习(前后左右)和重心保持练习的 3 种游戏,提高了练习者与游戏人物的动作联动性。该机器人还能根据练习者的平衡功能的恢复程度,自动设定练习难易度。
生活辅助机器人将在家庭中与人共处,帮助主人完成捡拾掉落的物品、送到身边等日常生活中的琐碎小事。现在,这种机器人正在 ALS(肌 萎缩侧索硬化症)患者的家中开展验证实验,投入实用之后,有望帮助手脚瘫痪的患者实现自理。
医用“可穿着走动的椅子” archelis。日本企业 NITTO 为了稳定医护人员的工作表现而开发。通过膝部和脚踝的角度固定以及小腿和大腿部的大面积支撑来承担体重,即使长时间保持略微弯腰的姿势,也不会给肌肉造成负担,可以反复“行走、坐下”。由此可减轻医生在手术过程中的肌肉疲劳, 可长时间稳定地保持姿势。 archelis 不仅采用了贴合身体的人体工效学设计,还采用每条腿都独立的分体设计,可保持随意的站姿。该产品专门用于保持下肢姿势,提高了运用性,包括在手术室里的动作、轻量、无线化等。
医用可穿着行走的椅子
可穿着行走椅子的使用场景 售价 300 美元的开源电动假肢“HACKberry”,残障人士福音。日本的 exiii 的公司推出了这样一款性能惊人的 3D 打印仿生肌电假肢 HACKberry , 该假肢可以被智能手机控制,借助智能手机的计算能力,用户可以根据自己的需要来进行不同的私人定制。
这款假肢最大的特点是 3D 数据及电路板数据等全部实现了开源,从全球任何地方都可下载使用,并且使用 3D 打印机来制作。能源系统兼容市面上普通的数码相机电池,不仅保证了足够的续航时间也为更换电池降低了难度。
由于采用了 3D 打印技术,HACKberry 的手指能根据对象的不同做出有所区别的“捡拾”和“抓握”的动作。例如,一个球可以被抓起来,但是勺子或叉子只需用捡拾就可以了。当 HACKberry 的手指聚拢在一起做出捏的动作时,两个手指之间几乎没有任何空隙,这就保证了它甚至可以轻松地捏起一张纸来。 海豹型机器人 PARO,对痴呆症患者疗效显著。由日本产业技术综合研究所研发, PARO 乍看上去就像通常的毛绒玩具,但配备了多个传感器,能够对外部刺激作出反应,通过学习作出动作。例如,只要连续呼唤名字,即便不是事先记录的名字,PARO 也会作出反应。PARO 长 55cm,重 2.5kg, 大小与人类婴儿接近。
海豹型机器人 PARO PARO 唤醒痴呆症患者过去养育子女、饲养宠物的记忆。PARO 已经 作为医疗器械,通过了美国 FDA(食品药品监督管理局)的认证。全 世界共有 4000 只 PARO 投入使用。使用 PARO 后,病人喊叫、狂躁、徘徊等问题行为大幅减少,原本在就寝时需要催眠剂的患者和半夜会突然醒来的患者,也能睡得很香甜。除此之外,还有两年一言未发的患者在接触 PARO 后开始讲话的事例。PARO 的作用不是治疗老年痴呆的核心症状,而是激活大脑的正常部分。 放在口袋里的机器人:夏普推出移动型机器人电话。RoBoHon 是夏普于 2015 年 10 月份发布的融智能手机与机器人为一体的移动型机器人电话。 将于 2016 年上半年上市销售,售价约在￥7500 元。它配备有基于语音识别技术的对话功能,可以回答很多问题。比如,你问他“你身高多少?”, 它会回答:“19.5cm 左右”,“你体重多少?”,会回答:“390g 左右”。
语音识别及其他 AI 功能是用云处理,再将结果返回给 RoBoHon 来实 现。电量减少时,要放在名为“充电椅”的充电器上充电,还可以用 普通的手机充电器。夏普对 RoBoHon 的定位是取代智能手机,成为 人手一个的伙伴,还开发出了携带的专用包。夏普认为这种小型交流 机器人是人型机器人的终极状态。不用智能手机语音识别功能的用户 也可以跟宠物、金鱼、布娃娃说话。做成人的样子对于交流而言,至 关重要。
新一代私人交通工具 WHILL,不仅仅是电动轮椅。WHILL 由一小群来自 索尼、丰田等知名日企的工程师发明出来。它与传统的轮椅大不相同,像 一个亲切友好的玩具。造型小巧,宽度仅 60 cm,长约 80 cm,转弯半径 为 70 cm。两个前轮分别由 24 个独立的小轮组成,此构造保证了 Whill 的 前轮能够横向移动,极大缩小了转弯半径。
WHILL 通过四轮驱动,提高了通过碎石路等不良路况的能力,还可以 将活动范围扩大到现有电动轮椅很难通过的场所;可以轻松跨越最高 7.5cm 的台阶;并且,转弯灵活,在狭小的室内移动也很顺利。 WHILL 每次在街上行驶,都将这条路线好不好走作为数据积累下来。 随着数据积累,地图上便可呈现出轮椅比较好走的路线。5 个小时充满 电,可以续航 24 公里,目前售价约￥50000 元。 会躲避障碍物的导盲机器人 LIGHTBOT。日本精工(NSK)开发出了会躲 避障碍物的导盲机器人“LIGHBOT”。能帮助视力障碍者在医院及商业设 施等室内移动。用户只要握着机 器人的把手行走,机器人会自动识别周围 的墙壁及障碍物等,避开这些障碍物,前往用户想去的地方。也可以说这 是一款配备自走功能的智能步行助力车。
LIGHBOT 的把手中内置有 NSK 自主开发的 4 轴光学式力觉传感器, 只要使把手倒向用户想去的方向,LIGHBOT 就会朝着该方向行驶。 机身下部配备有识别周围墙壁的激光测距传感器和检测与用户视线同 等高度的障碍物的距离图像传感器,当 LIGHBOT 快要撞上墙壁和障 碍物时,会自动修正移动方向。机身下部前方配备红外线距离传感器, 可以检测并躲避前进方向上的台阶等较大落差。
穿上这套机器人服之后,搬运 50 公斤重的东西就像几公斤一样。HAL 用途广泛,主要面向高龄护理、残疾人辅助、消防及警察等危险作业, 并且加强运动娱乐用途市场的开发力度。比如使用可以记录人体活动 的机能,把专业高尔夫选手击球活动记录到 HAL 中,那么穿上这件 HAL 的人就会同他一样打高尔夫。目前 HAL 采用租赁的方式,每月租 用费用约￥6000-7000 元。 人形机器人驾驶摩托车,时速超过 100 公里。2015 年东京车展上雅马哈 首次公开了能够驾驶两轮摩托车的自动驾驶机器人“MOTOBOT Ver.1”。 这款人形机器人完全可以自己驾驭摩托车,而无需对其做任何改装。 MOTOBOT 可以掌握通过摩托车速度及发动机转数等车辆工作情况获得的 信息,以及通过加速度传感器和陀螺仪传感器获得的姿势信息等,控制 6 个致动器自主 行驶。目前直线行驶最高时速已经达到 106km/小时。
MOTOBOT 的重量约为 45kg。驾驶时为前倾姿势,此时肘部、膝部、 腰部的角度 都是固定的,因此无法直立。机器人利用右手和右臂安装 的两个致动器操作油门和前制动器。制动杆中安装了像手指一样的部 件,通过手臂中的致动器来拉动。利用左臂安装的致动器来操作离合 器杆。操作车把的是胸部安装的致动器。右脚部分安装的致动器用来 操作制动踏板,左脚部分安装的致动器用来操作换 档踏板。这 6 个致 动器利用背部配备的计算机控制。 前台办理入住的机器人,可以提供语音指南。前台负责办理入住登记、退 房登记的 3 台形状各异的机器人。考虑到孩子们的喜好,还有恐龙形状的 机器人。女性人形机器人的五官精致,眼睛和眉毛的动作也很丰富,表情 会大幅改变。机器人大部分的工作只是播放“欢迎光临”、“入住登记的客 人请按 1”等语音指南。机器人能听懂的内容,只有客人的姓名(在询问 “请问您的姓名”后,机器人会把客人回答的姓名与数据库进行对照),还 不能任由客人提问 。客房没有钥匙,采用人脸识别。
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