如何用机械设计实现机器智能
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引言
菅野茂树(Shigeki Sugano)博士领导，早稻田大学
作者介绍：日本早稻田大学理工学术院创造理工学部综合机械工学科教授、学部长。
研究围绕人形机器人设计，灵巧且安全的机械手设计，以及机器人与人类的交流。
1991年以弹钢琴的机器人WABOT-2获得的日本机械工程学会技术奖，2000年日本机械学会优秀论文奖，2006年日本机械学会Fellow，2007年IEEE Fellow，2008年IEEE机器人与自动化学会（RAS）杰出服务奖，2008年RSJ Fellow，2011年SICE Fellow，以及2012年RSJ杰出服务奖。
演讲题目：机器人领域中智能和机械设计的关系
大家下午好！感谢你们邀请我，参加这样一个重要的会议和论坛。我叫Shigeki Sugano，来自于早稻田大学，今天我演讲的主题主要是机器人领域中智能和机械设计的关系，可能在座的大部分人都是来自于人工智能，信息学或者计算机科学的行业。但是，今天我想给大家讲的是，机械设计的重要性，看一看怎样去用这个机械设计实现我们机器人的智能。
那今天我的演讲主要包括这样的几部分内容。我要简单的介绍一下我们早稻田大学机器人的一些研究成果，以及我们的一些智能机器人研究的方法和我们的软件和系统，然后给大家讲讲我们机器人设计的历史，最后介绍我们的控制和我们的一些智能。
1. 早稻田大学机器人的简要历史
早稻田大学，1973年就发明了全球第一个类似人的机器人，1984年我们开发出了一个弹钢琴的机器人，这个就是我当时在做博士论文的时候参与这个项目。1992年的时候我们有类人的项目，包括通过这个项目当中，我们是可以和机器人先通过合作做一些项目，如两足机器人和人类共生机器人Wendy。
但是，后来我们有了twendy-one系统，然后我们在灾难机器人领域引入了新的机器人（发明出来了一些研究灾难的这些人）。
这是人形机器人的历史——WABOT-1，WABOT-2，Haday-2和WABIAN。Haday-2是人类共生型机器人。WABIAN是人形两足机器人。
这个机器人就是1973年所开发的第一个机器人，叫做WABOT-1。1973年有什么特别的情况呢？日本有新干线，是1964年的时候发明的，1969年的时候，美国阿波罗登月，这都是1973年之前就出现这么重要的事件。大家知道为什么会有这样的情况呢？新干线有一些特殊技术，可以通过电线和流体力学来获得能量，其实这里面没有电脑。日本的新干线中当然会有微型计算机，但是它们计算的方式，还不能成为一个成熟的电脑，它们位于发动机，用于保护人们，这些是很重要的技术，但它们不是智能、不是电脑科学。但是，人形机器人要求我们将所有不同种类的技术整合在一起，如机械工程、电子工程、计算机科学等等。所以要将这所有的技术到一个人形机器人身上是很难的。
这是早稻田大学机器人一步步发展的历史。
最近，我们还在手术领域、交流领域、群体机器人学领域等，开发出来很多不同类型的新型机器人。
2. 实现智能机器人和系统的方法
所以，下面跟大家讲讲实现智能机器人和系统的一些方法。我们其实有四种不同的方法：第一是认知科学计算的方法；第二是结构化环境的方法；第三是基于模块式实际控制方法；第四是生物模拟机制和控制方法。我简要介绍一下这四种方法。
大家可以看第一个，我们叫做认知科学计算智能方法，主要是依据这种人工神经网络计算，也包括深度学习，其中涉及了自组织映射神经网（self-organization map）与循环神经网络（RNN）这类最新的技术来实现自主智能。这意味着，这个机器人它可以认识到，理解当前环境，也包括机器人本身。现在有了文本和语言标志化，机器人就可以表达。那就意味着机器人有了智能。但是，这个过程不是那么简单的。因为这是一个学习过程而且人工智能网络需要一些价值判定标准。
那么，我介绍一下WAMOEBA-2R系统，包括自我保护功能。通常情况下，机器人只有感应系统和动作系统，在大部分机械系统中。但是学习和智能需要标准，价值判定标准。我认为，人和动物有存活机制，自我保护功能（Self-Presevation Function）。所以这就是我想要介绍机器人的自我保护功能的原因，这样它就能够依据这个自我保护的标准来控制自己并与环境交流。
第二种方法是结构化环境。这是一种结构化环境的模式。2005年3月，这种模式由日本经济产业部提出。这是一种日常生活支持系统模式。让复杂的人形机器人服务人类是很困难的。这是实现环境机器人化的一次实验，这其中用很多的电脑实现，它跟电脑类似，但是它是一个机器人，有点像一个室内机器人。所以房间内有传感器、有自动化工具、有监视器，并能够帮助人们，这里面你能看到机器人，但是理念主要在于环境机器化，所以我们叫做结构化环境。
这是一个日本WAMOEBA 机器人房间的整体图像。这个理念将GNSS系统引入我们的室内伪卫星系统，GNSS是一个使用GPS信号的定位系统。这样它将室内和室外定位整合在一起。这种定位是非常重要的，它对于实现智能、与人类合作或帮助人类来说很重要。
此外，家具也是实现了智能化。而且有家庭服务器，与家中所有端点连接，也与云连接。数据可以进行上传和下载，并与所有端点同步。这就是第二种途径——结构化环境。
这是一个具体的例子。
第三种途径就是基于模块式实际控制方法。它很容易，是不同类型智能的结合。我们在机械系统中构建模型。这里面有一个操作员，机器根据模型帮助操作员。操作员没有依据有自己不同的模块。其实机器人是帮助操作员工作的，操作员如果没有相关技能，但是他也是可以做很多工作的，因为有机器人的帮助。
所以这是一个模块化的机器人的一个例子。
第四种途径是生物模拟机制和控制方法。我开发了2007年TWENDY-ONE系统。它的设计是通过人类动作分析、紧凑的手臂、外表、感知功能、全方向移动性和电池运作几个部分构成。
但是，重要性取决于硬件和软件之间设计关系，特别是在形象、机械装置、控制以及智能之间的关系。
所以，基于这一点，我想给大家讲讲相关的一些细节。
3. 机械设计历史
在讲这些细节之前，我还是想跟大家讲讲电脑它发展的，计算机发展历史。这个历史上有很重要的一个里程碑和节点。那么，在1952年的时候，当时一个非常重要的美国的麻省理工大学使用超过200个真空管制作了一个数字控制机器（NC机器）。
在它之前，是没有电脑和计算机存在的。这是一种由Heron制造的名为Auto-door的蒸汽机。你可以看到它使用热量来运作的简单机制并非使用计算机。
另外一个非常重要的历史节点是Jaquet-Droz设计的Automota，是17世纪发明的一个机器人。
可以看看一个内部的状况，有一个凸轮，这个其实就是一个程序的，他们实现了自动化，自动化是用凸轮实现的。
让我们来看一看这个图，大家可以看，这是非常有名的一个唱歌的鸟的一个小机器，大家想想这个唱歌的鸟背后是什么机制呢？这个机制就是音乐盒的一个机制，它有一个凸轮，跟我们Automota的设计很类似，这也是一个设计的程序。
在日本1796年的时候，也是有一个非常有名的设计师，他们实现了自动门的设计。
所以依据这个历史。
4.控制（智能）与形态（机械机制）
我从智能的角度介绍一下最近的技术，设计和形象对工厂或产业应用在完成某些特定的任务时是很重要的。如图所示，有笛卡尔坐标的机器人在工厂中是很常见的，他很简单，只有几个自由度但是对于工厂自动化来说是很好用的，所以很多工厂都引进这种机器人。因而机器人的形象是很重要的。
同样，机械手的设计和组装型机器人也很重要。它们都是YASKAWA ELECTRIC CORPORATION 的MOTOMAN产品。所以这些产品中的抓取、控制、线路规划等都需要人工智能。
这是一个例子。这就是一个内部构造，就是力控制的结构图。左边是输入，右边是输出。这是很复杂的一个机械图。有没有更简单的方法呢？
这就是答案！这是我们机器人远中心柔顺手，这其中只有机械原理来控制力，没有复杂的控制办法，没有智能。
所以说机器人的结构和形态是很重要的。
现在日本有很多种类的机器人。
我介绍另一个例子——人类共生型机器人。那么完成这类机器人的关键点在于与人类共生和任务执行能力，这其中又包括了在与人类共生层面上，低风险性、物理上的相互作用和交流；任务执行能力层面上，灵巧性、力控制能力、移动性和智能性。有很多种方式来完成人类共生型机器人。
这是一个拟人化手臂。
这里是HADALY-2的简要视频。它是想拿起那个绿色的物体。但是工作人员会在外部施加力，但是机器人还是依然可以抓住绿色的物体。所以，它看起来危险但是并不危险，因为对于机器人来说，理解人类动作比较容易。这种被动模式对于实现机器人安全和无危险来说很重要。所以如何实现它？
这里我们介绍一个机制，叫做MIA机制，就是机械阻抗调节器这样的一个机制。传统上来讲，机器人学研究人员会设置很多的传感器并使用人工智能来实现力控。这非常复杂。但是，如果我们引进简单的机械设计，人们就可以实现它。这个机械设计机制能够实现标识合规和标识阻抗来理解人们。
这是一个例子。机械装置被施加一个外力。装置中心有一个弹簧片，它实现了标识合规（ID Compliance），并通过引入一个断开系统（breaksystem）来实现阻抗调节（impedance control）。所以我们并不需要太多的智能就可以实现这样的过程。
这是一个例子。我们看到事实上，请看它手的动作，它是非常灵活的，但是它一直抓着这个瓶子不放，同时它也还可以跟随人动作有所变化。如果你想要用传感器或者其他方式来完成这个功能，这是非常困难的。但是通过引入机械设计装置，很容易就是实现了这种功能。
这是这个机器人手臂部分的全面展示。扭力杆、旋转式阻尼器、执行器单位，这在机械设计上是很重要的。当然这个机器人身上也有很多传感器。我可以使用很多传感器。但在引入传感器之前，我们应该在机器人中使用好的机械设计装置，这很重要。
另外一个例子就是手。
为什么人的手是这么灵活的呢？有可能是手的形状，手的“机械装置”也是非常重要的。我们有指甲，有不同的手指头的关节，然后我们能够用手来完成很多工作。
所以机器人界的人，设计出机器人半球形指尖，我们把这个方法称为机器学方法。
引入半球形指尖后，通过利用摩擦力的点触式抓取，我们很容易分析抓取动作。
然而，这种半球形指尖的设计并不能保证像人类的手一样工作。
所以我们引进生物机制的方法。这个手是拟人化的。
这样的一种设计，能够给我们带来改变压力的可能。我们看到一些照片，是400克的0度，400克的15度、30度等等，我们改变了它的角度，就改变了接触面积，也就是压力类型控制。这种设计可以实现煮鸡蛋。
这就意味着设计是非常的关键的，因为时间的限制，我就要跳过一些内容了。同时它还能够完成以学习为主的控制，训练过程中容易收敛。
所以机械设计和人工智能的关系非常密切。
时间有限，我跳过一些地方。
最近，我们想把深度学习应用于机器人的交流，当然如果说我还有机会，我也愿意和大家进行更多的分享。
5. 总结
在这里我们也希望能够做一个练习，让我们来设计一个球形的机器人，它能够一个全方向的运动的控制和道路自动规划。可以做出这个设计吗？这是一种解决方案。它是Apple商店的商业产品，名字叫Sphero。它的设计很复杂，这其中涉及到电脑、蓝牙、轮子等。
然而，这里还有另外一种解决方案。所以，这个球可以在房间内的任何方向滚动。而且当球碰到墙角时，很容易就可以脱离墙角，转换方向。所以，请大家考虑一下这个球的机械设置，它的电脑设置，它内部的传感器。大家可以想象到吗？
这就是其内部装置，非常的简单，只有一个电池，还有一个电动机，没有任何的电脑设置。
事实上只有一个偏心轴电机，就可以让它进行这样智能的移动，没有传感器，没有电脑。
为了实现智能机器，我们应该考虑到机器人最基础的设计和机制，这非常重要，也是我现在想要告诉大家的，谢谢！
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