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  • 能将机器人从工业做进千家万户的,或将打造这个时代的下一个苹果公司!

      在寻找协作机器人后下一个现象级应用程序时,其实机器人公司应该去关注计算机的惊人发展历史,在苹果公司已经市值1.07万亿美元的今天,或许这些计算机巨头的发展路途能够给机器人从业者们启示,或许能得到下一步发展的方向和结论。

      自主机器人正在缓慢地出现,我们已经有了自动吸尘器,自动割草机,?#20102;?#21644;眨眼的玩具,以及(也许)即将推出的自动驾驶汽车,然而,一代又一代,我们一直在等待电影和电视节目中众所周知的机器人。但与之相反,企业做出来的机器人却似乎与能够使用通用的,以人体解剖学为灵感,以硬件来执行各种任务的机器人,两者距离越来越远。


     
      尽管诸如Willow Garage的PR2或Rethink Robotics的Baxter之类的这些公司曾做出我们一直在寻?#19994;摹?#21644;生活更贴近的机器人模型,但他们核心的东西目前已经消失在历史的长河。随着机器人公司伴随着越来越大的业务风险与技术风?#30504;?#24314;立与把控一家也开始变得特别困难。目前机器人行业的趋势从销售机器人也开始扩展到销售实?#21490;?#21153;,例如修剪草?#28023;?#25552;供出租车,履行零售订单或按磅采摘草莓。不?#19994;?#26159;,对于周边开发商和软件自主编程爱好者来说,这类商业模型强调的是专用于某类场景的专用硬件,这些硬件或许针对一项非常特定的任务进行了优化,但并没有对打造通用(个人)机器人平台有所帮助。

      实际上,我们在个人计算机(PC)行业中看到了与机器人行业非常相似的东西。在1950年代,即使计算机可以像整个房间一样大,并且只供少数选定的人使用,但公众已经对计算机的外观有了很好的了解,很多相关文?#38470;?#36848;了一个虚构的电?#36828;?#29983;活的改变,这种文章开始在那段时间填充了人们的主流娱乐方式。在1962年纽约时报发表了标题文章“ 掌上电脑来代替购物清单,” 有远见的科学家约翰·莫齐利就表示,“没有理由假定只能是科学家才是个人计算机的主人。”1968年,道格拉斯·恩格尔巴特(Douglas Engelbart)给了我们展示了“ 所有PPT的原型 ”,在图形屏幕和用鼠标浏览超文本,以及仅几十年后才成为电?#21592;?#37197;的一些其他想法。

      既然我们都了解所有这些计算机发展的轨迹,那么研究一下真正能使计算革命真正起作用的因素,用于了解机器人技术的真正作用,以及下一步要做的事情,这篇文章可能会对未来的机器人行业从业者们有所帮助!

      计算机与机器人之间的相似之处

      在1970年代,大型机将被新兴的微型计算机,即冰箱大小的设备所取代,其价格不到25,000美元(约合2019年的165,000美元)。这些计算机没有使用命令输入,但是可以在Fortran和BASIC中编程,从而大大简化了创建其潜在应用程序的?#35759;齲?#28982;而,人们当时也尚不清楚,在需要快速,高效处理大量数据的应用中,微型计算机是否能够取代大型主机,更不用说进入每个客厅了。这与现在的机器人行业非常相似,大型工厂工业机器人(大型机)自1960年代就已经存在,但只有在越来越多的协作机器人行业才开始看到竞争。这些协作机器人可以安全地在人类?#21592;?#24037;作,并且易于安装和编程(微型计算机)。但与上世纪70年代一样,这些设备的系统价格可与豪华车媲美,而且很难看到它们将如何成为消费产品。

      通用机器人系统由于类似的原因而没有成功,因为通用计算机(也称为“个人机”)花了数十年的时间才出现。大型机是为每种应用程序定制的,而打字机变得越来越智能,这之间并没有真正为通用计算机留出空间。的确,考虑到硬件成本和当今自动机器人相?#36234;?#23569;的功能,相对于改造协作移动机械手让其更智能的方法,开发专用机器几乎总是更快捷。

      但是,就像在计算机行业一样,更多的行业追随者正带来新的改变。机器人行业成功的体?#21040;?#26500;正在迅速被更多人克隆,从而去降低了价格,而关于如何构造或编程机械臂的全?#36335;?#27861;正在不断涌现。例如机械?#30452;?#21046;造商也加入到了AGV,机器人抓手和传感器制造商的行?#23567;?#19968;个明?#22253;?#20363;是电子商务杂货店的出现。当前的趋?#21078;?#23558;实体商店中未充分利用的部分留给电商配送中心,该中心通过自动检索系统和(人工)拣选机将货物装在小箱?#21448;小?br />

     
      许多创业公司如Alert Innovation,Fabric,Ocado Technology,TakeOff Technologies和Tompkins Robotics都在这样子做,他们这些新兴企业大多最近已经筹集了数亿美元的风险投资,以建立相当于大型机的AGV机器人处理中心,这与传统的机械手拣选器形?#19978;?#26126;?#21592;取?#20294;后者会穿过过道进行?#22815;?#24182;从货架上拣选,这样的机器人店员其实更接近我们对通用机器人的愿景,但将需要大量自身副本,使拥挤的过道才能像微型仓库一样每小时生产数百个订单。尽管AGV最终效率更高,但是零售业的利润率已经很低,因此该行业不太可能产生技术上的飞?#23613;?/span>

      但计算机行业,大型机却从底部受到了致命攻击。对新数字技术的迷恋导致了计算机爱好者运动,他们创造了通过?#20351;?#25110;在RadioShack出售的微型计算机,最初,许多小?#25512;?#19994;通常以?#21830;?#24037;具和木制外壳的形式购入数十台(最多数百台)设备,这种趋势最终形成 1977三位一体:即Apple II,Commodore PET和Tandy TRS-80的形式。完整的计算机的价格在2500美元(TRS)到5000美元(苹果)之间(以今天的美元计算)。这些计算机的主要应用是它们的可编程性(用BASIC语?#21592;?#20889;),这使消费者能够“学习绘制生物节律,平衡支票账户,甚至控制家庭环境”,这是苹果公司的原始广告。广告打出后,仿造者迅速出现,其中不乏大量可以探索技术不同方面的小工具,例如移动性,操纵性和娱?#20013;?#21151;能迅速被开发。


     
      就像?#25484;?#27493;的个人计算行业一样,广告功能充其量只是真实交易的模型。如今,娱乐机器人技术的一个里程碑是最初索尼公司的Aibo,这是一种机器狗,其广告宣传中,机器人如一条真狗具有许多特性,例如发展自己的个性,玩玩具以及与主人互动。该平台于1999年发?#36857;?#24182;于2018年重新推出,在?#19981;?#20854;可编程性的爱好者和学者中吸引了很多追随者,但可能只有极少数消费者用户接受该设备作为宠物的替代品。

      除此之外机器人行业也应该还存在不少做“自行组装机械臂”工具包的公司。uArm?是比较成功的例?#21448;?#19968;,它的售价约为800美元,并做广告表示机器人能做取放,组装,3D打印,激光雕刻以及听起来像是高价值应用的许多其他事情。他们的宣传片中介绍了使用机器人能在受限的环境中执行操作,这个引人入胜的视频使得他们已经成功进行了两次众筹活动,并将机器人确立为成功的教育工具。

      最后,应该存在一种平台,使业余程序员可以探索移动性。例如以构建用于可以在家中巡逻,交?#27573;?#21697;或向其用户提供例如《迷雾II》里能远程监控能力的机器人。但就像原始的Apple II一样,硬件价格与可用应用程序的逼真度之间仍然存在脱节。

      但对于计算机来说,随着1979年第一个电子表格软件visicalc的发明,这种脱节开始消失。visicalc在1979年从哈佛大学(harvard)诞生,并促使许多人购买一台完整的微型计算机来运行这个程序。visicalc很快获得wordstar(一种文?#25191;?#29702;应用程序)的加入,以今天的美元计算,它的售价接近2000美元。Wordstar也吸引了很多人购买整个硬件,只是为了使用这个软件。这两个程序是被称为“现象级应用程序”的早期例子。


     
      随着工厂自动化的成熟,机器人与小型机一样,开始贴上能够带动周边和?#22270;?#26684;的标签 ,它们能自动执行许多日常操作任务,机器人产业目前很像是1973年的PC行业。PC行业1979年时,当第一台带有图形用户界面,鼠标和特殊软件的计算机施乐Alto发布后,5000美元以下类别的微型计算机开始崭露头角并迅速起飞,进入到千家万户,机器人行业的周边却迟迟没有出现。

      现象级应用

      那么,机器人技术要像计算机一样继续发展需要什么呢?一款现象级应用!机器人现象级应用怎么才会出现?市场其实本身已经做好了提炼可能的现象级应用程序的工作。风险投资家和客户都在推动那些有着崇高目标的公司,并将其产品缩减为简单的价值主张(定位)。但结果是,很多原本?#21152;?#30456;反两端理念的公司通常会殊途同归,提供彼此非常相似的镜像,最后做到一类产品上去,例如他们无论起点在?#27169;?#37117;会最后提供自主AGV,(箱)拣选,码垛,卸垛或分拣解决方案,以便完?#19978;?#21806;。但好在这些公司中的每一个通常都为单个垂直行业提供单个应用程序,例如,垃圾箱收集?#36335;?#36816;输仓库货物或按磅摘草莓,他们试图证明自己的特定技术有效,而不是非主流。

      但这些公司很少真正起飞。一个例子是 Kiva Systems,它最终变成了Amazon的物流机器人部门。和其他公司一样,Kiva想要围绕着以用户需求出发,但是,由于这些解决方案非常专业,因此它们不可能产生任何规模的经济规模,而规模经济却无法像早期的计算机用户(为昂贵的小型计算机购买电子表格和文?#25191;?#29702;器应用程序)所享受的那样。其实因此正确的解决办法应该是使这些机器人解决方案变得可堆叠,将这三种技能可以结合起来,对整个过程进行建模,而不仅仅是用相同的硬件来完成拣箱、码垛和运输的同?#39542;?#31454;争。

      简单的机电一体化设备的组装是初创企业很少解决的一项技能,而历史上一直属于大型机技术的机器人拥有。组装机电部件的能力等同于其他任务,例如更换灯泡,更换遥控器中的电池或对诸如杠杆式意式咖啡机之类的机器进行保养。这些任务将涉及使用一台机器自动执行完整工作流程的情况,最终导致所有部门工业生产率的爆炸式增长。例如,从垃圾箱中捡起一件物品,将其放在机器人上,将其移动到其他地方,然后将其放入架子或机器中,这一过程同样适用于制造环?#24120;?#38646;售商店或某人的厨房,如果能有这些细节性的场?#25353;?#26032;,将会对机器人应用场?#25353;?#26469;消费和工业市场的根本?#21592;?#38761;。

    ?#35745;?/strong>:西门子机器学习挑战赛的自主组装

      尽管上面说的许多应用软件程序已经成为可能,但是如果没有附加的周边组件来提供他们自己的“现象级应用程序”价值,仍?#32531;?#38590;让一个平台起步。有趣的例子是Rethink Robotics或Robot Operating System(ROS)。Rethink Robotics的Baxter和Sawyer Robots开创了一个伟大的用户体验(?#28909;?973年的施乐Alto,真正的第一台PC),但它的应用很难扩展到简单的拣选?#22836;?#32622;、码垛和卸件上去,因此盈利成了很麻烦的问题。

      ROS则率先开发了进程间通信软件,该软件可以适应机器人的需求(多台计算机,不同的编程语言)以及机器人技术中软件模块化的思想,但是由于缺乏通用的硬件平台,因此?#24418;?#20132;付单个应用程序,例如用于导航,路径规划或抓取,其性能超出研究级的演示级别,一旦开发人员转向生产系?#24120;?#20063;不会被丢弃。同时,越来越多的机器人设备(例如提供智能功能的机器人?#30452;?#25110;3D感知系?#24120;?#25552;供了无需中间计算机即可将它们连接在一起的其他方式,同时保持了实时?#36816;?#20204;硬件方面的紧密控制。

      在Robotic Materials Inc.,他们已经取得了长足的发展,以识别一些应用程序,例如垃圾箱拣选和组装,通过将机器学习和优化与直观的用户界面相结合,只需单击即可配置它们。在这里,用户可以定义对象类别以及如何使用Web浏览器来掌?#36134;?#20204;,然后在特定于机器人的图形编程语言中以一流对象的形式出现。同时也对汇编进行了此操作,从而?#24066;?#29992;户通过简单地将?#23454;?#30340;命令拖放在一起?#28034;?#20197;堆叠基于感知的拾取和基于力的汇编原语 。

      虽然这种方法可以回答价格在“微型计算机”?#27573;?#20869;的机器人的现象级应用程序的问题,但尚不清楚如何用低于5000美元的机器人来产生现象级应用程序类型的价值。其可能的答案有两个:首先,可能是随着军工产品低成本化,移动平台和娱乐设备的不断改进,最终将出现技术准备和用户创新的融合,例如Apple II和VisiCalc。例如,将Misty 变成家庭安全系?#22330;?#23558;uArm放入低成本的分拣系统中;或类似Aibo的装置植入自闭症老人或儿童的治疗系统中,这些并不需要太多创新,知识?#24405;?#26415;的应用。

      其次,机器人及其部件必须大幅降低成本。事实上,计算机的价格?#25163;?#25968;下降,计算能力?#25163;?#25968;增长,这在很大程度上要归功于摩尔定律。这一发展也帮助了机器人技术,由于我们能够实时处理大?#23458;?#20687;和深度数据,因此使我们能够在移动性和操纵性方面取得突破,我们可以预见到它继续这样做。

      机器人有摩尔定律吗?

      然而,人们可能会问,对于整个机器人行业(包括其所有电机和齿轮)而言,如何可能具有类似的动力学特性,以及机器人行业的“摩尔定律”会是什么样的?在这里,我们要记住摩尔定律其实不是原因,而是PC革命的结果。事实上,是因为第一个用于记录,编辑和游戏的首批现象级应用程序如此出色,以至于?#22836;帕司?#22823;的消费者需求,一遍又一遍地超越了人们认为在物理上可行的基准。(我们清楚地记得,在DSL出现之前,56Kbps是铜?#23454;?#35805;线的绝对最大数据速率。)

      汽车工业更是深刻地证明了这些规模经济也适用于机电一体化。2020 Prius Prime是一个很好的例子,这是一种高度计算机化的插电式混合动力车,其价格非常低,而复杂程度却更高,可使用电动机,内燃机,以及各?#25191;?#24863;器和计算机,它直接引爆了消费级市场。因此,一旦机器人技术在大众市场上具有类似的吸引力,就很可能生产出一种零售价格仅为现代汽车十分之一的移动机械手。鉴于这些机器人是方程式的一部分,其实可以积极地降低生产成本,因此这可能会以工业化历史上前所?#20174;?#30340;速度发生。


     
      还有一种驱动程序可以使机器人的功能成?#23545;?#38271;:云。通用机器人一旦学习了?#24405;?#33021;或对其进行了编程,便可以与其他所有机器人共享它。在某个时候,买了机器人的杂货店可能会让它已经知道如何识别和处理商店中99%的零售商品,这就打开了很多市场。同样,制造商可以假设机器人可以处理和搬运某个人类可以买到的所有物品,又?#28909;?#24456;多家庭可以期望机器人知道宜家和陶器谷仓出售的每一种厨房用品。听起来像是一个劳动密集型的问题,但比起用汽车,三轮车和雪地摩托等车辆为Google街景视图收集镜头,它可能更易于管理,只是一个隐私的问题。

      机器人消费级市场的启动策略

      当我们等待更好的应用程序和成本不断降低的硬件融合时,还必须继续探索除移动性,例如垃圾箱拣选,码垛,卸垛和组装之外的典型机器人应用程序。我们还必须继续解决根本挑战,以使这些解决方案真正具有通用性。

      对于这两个问题,研究对个人计算机的开发至关重要的策略可能会有所帮助,这些策略同样适用于机器人技术:

      1.从解决客户的问题开始。不?#19994;?#26159;,客户的问题几乎绝不是需要传感器,小部件或一段代码,而是用他们已经花费的钱解决问题。

      2.尽可能少地构建自己的硬件。在融资和发展中,机器人公司的业务模型构建价值应该比在硬件上获?#32654;?#28070;的优势更强。例如如果人们可以购买一台计算机并直接应用优势软件,那人们为什么还要自己开发打字机呢?

      3.如果要做平台,请确保它带有现象级应用程序。仅此一项?#28034;?#20197;证明平台成本合理。示例:微型计算机公司一直再倒?#30504;?#30452;到苹果“ 1977三位一体机”与现象级应用电子表格和文?#25191;?#29702;器相交融,他们才最终打造了一个世界现象级的公司。

      4.使用开放式架构。这将创建一个生态系?#24120;?#20854;他人可以竞争创建更好的组件和周边以及外围硬件设备,同时?#24066;?#20854;他人将公司的解决方案集成到其垂直设备中并与其他设备堆叠。示例:Apple II和IBM PC?#38469;?#23436;全开放的体?#21040;?#26500;,支持许多克隆,从而扩大了用户和开发人员的基础。

      将机器人做到千家万户,这是具有世界价值的。随着大多数业务流程已经数字化,通用机器人将使我们能够填补移动性和操纵性方面的空白,在仅受可用资源和能源数量限制的水平上提高生产力,这可能会创造一个乌托邦,在其中创造力将成为最终的乌托邦货币。也许我们甚至会得到R2-D2。

      原文作者Nikolaus Correll是科罗拉多大学博尔?#36335;中?#35745;算机科学副教授,主要研究移动操纵和其他机器人应用。 他是Robotic Materials Inc.的联合创始人兼首席技术官,该公司由美国国家科学基金会和美国国家标准与技术研究?#21644;?#36807;其小?#25512;?#19994;创新研究(SBIR)?#33529;?#25552;供支持。
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