书城工业技术未来产品的设计
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第18章 反应式的自动化

本节核心论点:协作机器人比较好地实现了人和机器间的自然交互,它和人的关系,是似于马和骑手的关系。而这些自然的,有响应的交互,向我们展示了如何营造出真正的“机器+人”的共生系统,即实现最佳的人机交互。

带有助力的部件,例如刹车和方向盘,是相对原始的人和机器的自然的配合。借助现代电子技术,可以实现更多的配合。美国西北大学智能机械实验室的Ed Colgate和Michael Peshkin教授发明了一个名为“协作机”(译者注:英文全名为Collaborative Robot,即协作机器人,英文简称为Cobot,本文翻译成协作机)的机器人。协作机比较好地实现了人和机器间的自然交互,它和人的关系,类似于马和骑手的关系。我仔细地向Peshkin询问了关于协作机的事情,下面是Peshkin的回答:

最聪明的机器人应该是能够对人类智力形成互补的机器人,而不是试图超越人类的机器人,就像优秀的教师一样。

协作机的核心在于它和人共同拥有控制权和智力。它做它擅长的事情,人做人擅长的事情,各司其职。

我们首先让协作机去尝试做一些物料搬运整理的工作,比如在汽车组装生产线上和仓库里。协作机提供一个光滑表面,这样人类操作者就可以在上面更为准确、更为快速地推动重物,而且也更符合人体工学。而当重物不在一个平面上时,人类操作者则可以根据情况,用自己的眼睛、灵活的四肢和解决复杂问题的智力来搬运重物。在必要的时候,还可以顺着斜面向上推。

协作机创造出一个良好的人机共生环境,人类还可以按照以前那样抬起和搬运物体,而唯一的差别是:当物体十分沉重超出了人类能够承受的范围时,协作机才会额外辅助一些抬起的力量或者导向力。这就好像协作机把人类的力量放大了:人类只需要施加较小的、不至于不舒服的力量,而协作机提供额外其他一切所需的力量。人类会感觉到仍然是自己在掌控一切,甚至意识不到是机器给予了辅助力量。应用协作机的另外的一个例子是在汽车组装生产线上,协作机帮助生产线工人来装配汽车发动机。通常来说,很重的部件,比如汽车发动机,通常都是由人工控制的吊运装置来操作,或者是由智能吊运来自动的操作。然而协作机的介入则改变了这样的工作方式,工人只要先用协作机上的链条将发动机钩好,之后便可以随意摆弄发动机了。通常发动机都很重,一个人是不可能抬起的,更不用说用一只手进行搬来挪去的摆弄了,然而协作机可以感知到人手抬起的动作,进而提供抬起发动机所需的力。如果想让发动机转动方向、移动、或者放低位置,工人只需要施加一点转动、推动或者压低的力量,协作机就可以感知到,并且适当放大这个方向的力量。这是完美的协作,工人不必考虑自己是在使用一台机器:他们只要当做是自己在摆弄发动机就可以了。

协作机也可以做一些复杂精巧的事情。例如,如果发动机不应该移动到某个方向,或者必须沿着一个预先定义好的方向移动。这种情况下,协作机系统可以预先设定一些虚拟的“墙”和“路径”,而当工人弄错了方向或者偏离了方向时,协作机就会以一种轻微的、自然的方式阻挡工人的用力。实际上,工人完全可以借用这种“墙”的概念来装配发动机,例如,工人可以先朝一个方向一直推动发动机,直到“撞墙”为止,之后再沿着“墙”滑到应该到达的位置。人为地制造出的这种限制感觉起来非常的自然。机器并没有强行限制人的动作,而是让人感觉起来有一堵实实在在的墙,因此人会很自然地去避免撞墙,或者借用墙,沿着墙滑行辅助形成一条直的路线。下面是协作机的发明者们描述的协作机的各种使用场合。

协作机可以提供可编程的限制和约束,这是它最让人着迷的一个功能。比如,用虚拟的墙将运动约束在有效的方向上,这样可以显著地提高一些工作的效率,比如说远距离的轴孔装配操作。另一个应用场合是“魔力鼠标”,一种可以约束操作者手的运动方向的计算机输入设备,比如在移动鼠标时可以避免鼠标不小心“滑出”下拉菜单的范围。第三个应用场合是机器人手术系统,协作机可以为手术医生的手持器械提供一个定位的导向。第四个场合是汽车装配生产线上,通过可编程的约束来帮助操作工准确地搬运和装配一些大型的组件(比如仪表盘、备用轮胎、座位、门等),而不会发生磕磕碰碰的情况。

协作机仅仅是助力系统家族的一个成员。另一个典型的例子是助力骨骼装(exoskeleton),是一种人可以穿在身上或者肢体上的形如骨骼的机械装备,和协作机一样,它可以感知人体部位的运动,然后对该方向的力量加以适当的增强。骨骼装目前基本上还是个概念,尚未实际运用,但该产品的支持者们认为,人类可以在未来借助骨骼装从事一些重体力或者超出人类极限的工作,比如可以抬起很重的物体,可以跳得很高很远。可以将其应用在建筑、救火或者其他危险的行业中。此外,这种系统还可以起到辅助医疗的作用,比如帮助患者进行肢体力量的恢复,同时还通过逐步地增加患者所需的力度来进行康复训练,这样就可以起到指导康复治疗进程的作用。这和汽车控制所模仿的马的比喻是类似的,对待马可以有从松缰绳到紧缰绳的不同程度的控制,而采用医疗康复使用的骨骼装也可以让病患完全控制骨骼装(紧缰绳),还可以让骨骼装自行控制(松缰绳),或者是介于这两个状态之间的任何状态。

还有一个例子是摄位车(Segway Personal Transporter),这是一种有两个轮子的个人交通辅助系统。摄位车的智能设计让这个交通辅助工具变成了一个非常良好的“机器+人”的共生系统。该车可以感知人的身体动作,并做出反应,从而形成行为控制。站在摄位车上,它首先可以自动地将人和机器同时平衡好。人稍微前倾,它就自动前进;人稍微后倾,它就自动停止。类似地,人也可以通过身体的倾斜让摄位车进行转向等操作。这比自行车要简单得多,而且其中的交互也非常自然。不过,目前摄位车并非人人都可以使用,就像不是每个人都会骑马一样,摄位车的使用还是需要一定的技巧和认真的态度的。

这是一种协作机器人,人控制它时只要向某个方向微微倾斜就可以了。这样,很自然的,也很容易,人和机器形成了一个共生体。

马与骑手、人与协作机或者人与摄位车的交互配合,相对来说,不像人与汽车或者人与飞机的交互那样严格刻板,即使是汽车的巡航控制也还是有些刻板的。在后面提到的这几种组合中,设计者往往假设使用者会刻意地设定控制,刻意地打开开关,然后人便没有什么可做的了——直到机器出现故障为止,这个时候机器突然要求你解决导致机器故障的问题。而本章中提到的这些自然的、有响应的交互,向我们展示了如何让机器智能与协作力自然地发挥出来,营造出真正的“机器+人”的共生系统,也就是最佳的人机交互。