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  • 学界 | 什么机器人才是好机器人?这个项目要为机器人评估设定统一标准

    2016-11-28 20:06:00 来源: 机器之心

    选自phys.org

    机器之心编译

    参与:李晨


    「robot」这个单词源于 1920 年的捷克戏剧,故事的结尾机器人控制了工厂消灭了人类。但 Aaron Dollar 对未来的人机关系却很乐观,他的办公室墙上就贴着罗萨姆万能机器人(Rossum's Universal Robots)的海报。


    他将机器人视为日常生活中的助手,的确,机器人可以帮助我们整理桌子、安装新的书柜。但是机器人如何在凌乱的家里工作(家里会有家具等其他物品)?这还是一个需要全球机器人专家通力合作去解决的难题。第一步,我们需要为机器人的工作效果制定一个统一的标准。


    Yale-CMU-Berkeley Object and Model Set(简称 YCB Set)旨在为全世界的机器人实验室提供一种通用标准,外表上看是只是一个手提箱模样的盒子,盒子容纳了 77 种物品:锤子、无绳电钻、一罐午餐肉和测试九孔桩的工具等。尽管看起来非常普通,这些经过精心策划的家庭用品可能是一种机器人新标准的未来。


    Dollar 是机械工程和材料科学的副教授,两年前他提出可以在机器人研究中加入一些具有普遍性和特殊性的操作任务。比如让机器人用手抓锤子。不过当其他机器人实验室想重复这个实验时,该选择多大的锤子呢?这时 YCB Set 就给我们提供了统一的标准——请使用盒子里那把 23.45 盎司斯坦利锤子进项行测试吧!


    Dollar 是机械工程和材料科学的副教授,两年前他提出可以在机器人研究中加入一些具有普遍性和特殊性的操作任务。比如让机器人用手抓锤子。不过当其他机器人实验室想重复这个实验时,该选择多大的锤子呢?这时 YCB Set 就给我们提供了统一的标准——请使用盒子里那把 23.45 盎司斯坦利锤子进项行测试吧!


    除了这些测试物品之外,这个项目还提供了五个示例的任务(例如将水从壶倒进到杯子、布置桌面)和每个任务的完成标准。该项目的网站还允许其它实验室提供他们自己的实验及结果,要用来对原有的任务进行扩充。Dollar 认为,当实验室完全按照自己的标准测试时,往往不能正确的认识到自己的特长和短板。标准一旦统一,就将成为一种更客观的评估方法。


    YCB Set 在机器人领域的瓶颈时期出现。所谓瓶颈,就是说机器人只能在固定的环境中表现非常好,比如在工厂里,只需要重复某些动作的时候。目前,机器人在相同的环境里重复同样的动作这方面已经表现得非常好了。Dollar 认为:在固定的外界条件下,机器人总是在相同的地方看着相同的东西重复相同的动作。这只要编程就可以完成,而且可以完成得相当不错。然而对 Dollar 和其他机器人专家而言,让机器人有自己思考才是更是具有挑战性的工作。



    机器人抓住了电钻 来源:耶鲁大学


    机器人社区的人们正在尝试开发可以在日常环境和家庭中工作的机器人,他认为,这与之前的流水线式工作截然相反。


    长期以来,标准都是科学进步中至关重要的一部分。直到十九世纪,世界上各个地方的时间才有了统一的标准(原子钟是世界上已知最准确的时间测量标准)。幸而有了世界标准时间,我们才能很顺利地使用上个人 GPS 系统和无人驾驶汽车。之前的几个世纪,人们只用手和脚来测量东西的长度和高度,生活十分不便。国际重量和测量委员会在巴黎的气候控制库中存储了一些金属棒,给出了世界上统一的度量标准,每个金属棒都是测量单位的承载体。近几年,这些金属棒已经被更精确的测量标准所取代,新的测量标准是在光速基础上建立的,原子钟在其中又起到了不可忽视的作用。


    当我们对机器人的要求有了进一步的提高,而不是仅仅满足于流水线式的工作时,事情就变得复杂起来。例如,Dollar 所致力于的机器人控制和抓握研究。对于人类来说,拿起一个叉子再用它进食是一件再简单不过的事情了,但对于机器人来说就可没有那么容易。为了开发这样的机器人,各个实验室需要一个统一的标准来进行定量测试,而不是只忠于自己的测量标准。可以这么说,77 项目盒在机器人技术中的地位是与巴黎金属库或原子钟不相上下的。同时,它还可以促进各个实验室之间的交流,推动这个领域的发展。


    对于一个机器人实验室来说,想在通过控制机器人去房子周围找一样东西是非常简单的。然而只有对各个实验室的结果进行比较,才能进一步推进研究。这时 YCB Set 就有了用武之地。


    Dollar 说,当我们有一个新的想法时,希望可以通过测试来了解它的工作原理。量化评估后,就可以得到与其他的方法相比的结果,来进一步了解新方法的效果。当然也可以进行其他标准化的测试,但是我们目前并没有获得 YCB Set 的测试授权。


    机器人学家认为,正因为这个领域之前并不复杂,所以标准的重要性没有体现出来。但现在的情况与之前截然不同。需要多方合作来开发一个机器人,一个统一的标准就显得至关重要了。


    哈佛大学工程学院 Robert Howe 教授认为,当机器人走出实验室,进入到日常生活中,想要了解它的特长和局限就非常麻烦了。在工厂里,外部环境都是设定好的,测试是很容易的一件事。但是如果外部环境换成了家里杂乱无章的厨房,这时应该如何测试机器人呢?所以说 Aaron 的研究是十分有前景的。



    锅和铲子是家里常见的工具,这里为机器人实验室提供测试标准。它们的不同形状和大小可以反应机器人的能力。来源:耶鲁大学



    Howe 指出,即使是看似简单的抓取动作也需要非常先进的技术。首先,需要对手和手臂进行设置,防止它们碰到其他东西,要严格控制与外界的接触。然后,将这些协调元素囊括到一个系统里,还要保证它的反应足够快足够实用。Howe 的实验室致力于触觉感测,这项工作还可能需要计算机视觉方面的专家加入。


    他说,这就是 YCB Set 的精髓所在,在实验室里就可以对机器人完成任务的情况进行测评,不同实验室之间就可以互相比较。


    Dollar 有了这个想法后,他请来了他在机器人社区的两个前同事,一个是来自卡内基·梅隆大学的 Siddhartha Srinivasa 博士,另一个是加州大学伯克利分校的 Pieter Abbeel 博士。2014 年,Berk Calli 来到耶鲁,Dollar 让 Berk Calli 在自己的实验室做博后,负责该项目。Calli 认为,机器人技术测试的可重复性差一直是一个公认的问题。算法那么多,没有人知道针对某一个具体问题哪一个算法是最优的,在不知道算法的可行性之前,工作就没法继续下去。一篇论文比较了不同实验室的两种算法就已经很少见了。在机器人性能的量化和比较中,如果可以通过一个统一的标准来得到五个或十个组的结果,将是一个非常大的突破。在这之前,还从来没有人做过这方面的工作。



    理想情况下,YCB Set 将独立承担实验。提供的物品和示例任务只是一个开始。机器人控制领域研究进展迅速,涵盖了大部分的科技热点和研究方法,所以 Dollar 和他的团队所提供的任务只是一个示范。在 YCB Set 的网站上,研究团队为其他实验室提供了一个框架,以便其他实验室提供自己的控制测试方法和标准。研究人员可以在这里看到来自其他实验室的实验方法和结果,并且有一个专门的论坛进行讨论。


    Dollar 说,这样做的主要目的是让其他研究人员提出自己的思路,让其他人也可以去了解、利用他们的方法,」



    玩具飞机是机器人编程测试的任务之一。来源:耶鲁大学


    为了正确地选择 YCB Set 中的测试物品,研究人员查阅了许多机器人的相关论文,以了解操作测试中最常用的测试点有哪些,甚至去商店寻找更多的灵感。Dollar 说,这个项目的特点之一就是可以引起大家的研究兴趣,」。


    目前,每套 YCB Set 的售价是 350 美元。其中所选择的都是非常耐用而且短时间之内不会有太大变化的物品,同时也可以降低成本。


    所选择的物品大致分为以下几类,例如,谷物盒、桶装薯片和午餐肉罐头等。工具有小钉子、木块、一个无绳的钻子。Dollar 说,所选物品尺寸各异(最小的是垫圈,最大的是水壶)。有些物品的形状比较容易抓握,有些物体的形状复杂,对机器人手就会有更大的挑战性。


    YCB Set 中还包括一些需要完成拆装的测试品,比如,有一种放置了木质立方体的盒子、可组装和拆卸的玩具飞机、各种乐高积木。该套件还配有一个数字计时器,用于测量某些任务的执行速度。


    为了使实验顺利进行,找到测试品,完成 YCB Set 的物品组合还远远不够,Dollar 需要说服其他实验室都来使用。他和他的同事一直忙于在国际机器人会议上介绍 YCB Set。YCB Set 在 2015 年 5 月的 IEEE 国际机器人和自动化会议(ICRA)上首次亮相,Dollar 说,反应非常热烈,他们大约收到了 50 套 YCB Set 的请求。这些 YCB Set 早已打包好,研究人员可以订购整套,这些 YCB Set 将被送到他们的实验室。目前世界上约有 100 个机器人实验室有 YCB 套件。


    「我们希望得到尽可能多的帮助,因为这是让它继续使用下去的唯一的方式。」Dollar 说

    南佛罗里达大学计算机科学与工程系副教授 Yu Sun 说,他的实验室是所有收到 YCB Set 中「最幸运的实验室」之一。今年十月份,他在韩国举办了国际性的智能机器人大会。在握手比赛上之前,他已经利用 YCB Set 已经收集到了一些数据。


    他说:「在机器人测试中,如果不能保证物理环境相同,所得到的数据就失去了意义。使用的 Aaron Dollar 的 YCB Set,就能保证测试条件相同,所以其他研究者也可以将我们的数据应用到他们的算法中去。」


    本文载于2016年11月18日 phys.org 网站,标题为:A new standard in robotics。

    原文链接:http://phys.org/news/2016-11-standard-robotics.html



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