详情
Servo的内容主题范围很广，从可编程逻辑，到步进马达基础、无线电通信基础、机器人基础知识、自助操作、闭环系统、语音识别、视觉添加等，到产品和图书评论，构建自己的Bot和系统项目等等。诸如DARPA、机器人世界杯足球赛、FIRST、ComBots、水下机器人挑战赛等等活动的报道。
书名：机器人爱好者 第8辑
ISBN：978-7-115-49817-5
本书由人民邮电出版社发行数字版。版权所有，侵权必究。
您购买的人民邮电出版社电子书仅供您个人使用，未经授权，不得以任何方式复制和传播本书内容。
我们愿意相信读者具有这样的良知和觉悟，与我们共同保护知识产权。
如果购买者有侵权行为，我们可能对该用户实施包括但不限于关闭该帐号等维权措施，并可能追究法律责任。
著 美国SERVO杂志
译 荣 耀 陈冠儒 符鹏飞 陆国君 等
责任编辑 武晓燕
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
Copyright © 2017 by T & L Publication, Inc.
Authorized translation from the English language edition published by T & L Publication.
All rights reserved.
本书中文简体字版由美国T&L公司授权人民邮电出版社出版。未经出版者书面许可，对本书任何部分不得以任何方式复制或抄袭。
版权所有，侵权必究。
本书是美国机器人杂志《Servo》精华内容的合集。
根据内容的相关性，本书对相关内容进行了精选和重新组织，分为4章。第1章首先介绍了常见的警用和应急响应机器人与专为老年人服务的机器人，然后探讨了人类与机器人的关系以及如何设计一个可市场化的机器人；第2章是自己动手制作无人机的专栏文章的第四篇；第3章是机器人DIY，介绍了Nomad、Turtlebot和Parallax的使用方法；第4章是全球机器人领域新的研究动态和资讯。
本书内容新颖，信息量大，对于从事机器人和相关领域的研究和开发的读者具有很好的实用价值和指导意义，也适合对机器人感兴趣的大众读者阅读参考。
Tom Carroll 撰稿 李军 译
即便是刚开始构建的类似机器人的设备，有些组织也会非常感兴趣，他们可能会问：“这种类型的机器适用于我的环境吗？”各个国家的军方都在寻找方法来让机器人出现在战场上，以避免人在战斗过程中冒险。相同的情景也适用于执法人员，尽管为他们设计的机器人需要具备一些不同的功能。
安保公司把机器人技术看作为关键区域提供24小时巡逻而又不需要较高人力成本的一种技术。应急响应组织则意识到，他们的特殊环境所需要的机器人是执法和安保这两种类型机器人的组合，就像我下面将要介绍的核反应灾难的善后清理的例子一样。机器人进入了这些领域并且大获成功，尽管有一些机器人在此过程中英勇牺牲了。
我打算通过两起类似但是不尽相同的核反应灾难场景，来说明应急响应机器人必须面对的问题。其中一场灾难是由于自然环境引发的，并且由于工程安全问题不能满足任务的需求而导致其发展为严重的长期性的问题。另一起灾难则是由于反应堆操作人员的人为错误而造成的。
让我们来看看这两起历史性的灾难场景，并且看看如何使用机器人技术来进行善后工作。2011年3月11日，一场里氏9.0级的大地震导致50分钟之后日本福岛地区发生了13.7m高的海啸。超过15.8万人死于这场灾难，并且有2 500人从那天起一直处于失踪状态。
然而，对于家园和基础设施的物理损害，并不会导致这场灾难的影响一直持续到现在，也就是地震发生7年以后。导致这一影响的是福岛核电厂的6座核反应堆中的4座遭到了损坏。
和全世界的科技电站一样，日本在设计这些核电反应堆的时候使用了工业标准系统。东京电力公司（Tokyo Electric Power Company，TEPCO）拥有这家电厂，并且保证电厂的设计符合这些安全性的基本原则。
在电厂周边的海滩上，日本修建了防波堤以保护反应堆不会受到高强度的暴风雨和海啸波的影响。电厂还安装了13台应急备用柴油发电动机，这些发电动机应该能够提供所需的外部电源。日本这个国家对于地震不感到陌生，他们觉得自己已经符合所有的安全基本原则。在大海啸发生之前，日本刚刚经历了两次由自然灾害引发的巨大的灾难。
但是，两个设计上的失误导致了电厂的设备受损。距离日本海岸线129km的大地震毁坏了大多数的基础结构，并且13.7m高的海啸很容易淹过防波堤并且进入到6座反应堆建筑的地下室，而应急备用柴油发电动机就在地下室中。除了一台应急备用柴油发电动机之外，其他的几台都失效了。
不管反应堆的控制棒多么快速地插入到反应堆芯中来停止裂变反应，庞大的堆芯仍然在一整天中都保持很高的温度。在非常短的时间里，冷却水被抽入到反应堆芯中，但是失去了外部电源的抽水泵很快就停止了工作。
图1显示了沸水堆的一种典型的燃料棒组。当燃料棒组没有适当地进行冷却的时候，整个燃料棒组的结构会被裂变反应所融化，并且大量极热的金属直接通过反应堆的底部到达地面以下。尽管1号、2号和3号反应堆自动停机了，但由于失效的系统没有能够冷却堆芯，导致大量的氢气开始充满整个反应堆。图2显示了4座毁坏的反应堆，从左到右依次是1号到4号反应堆。5号和6号反应堆在较远的左边。
图1 沸水堆的燃料棒组
1号反应堆在当天下午发生了氢气爆炸。两天后，3号反应堆发生爆炸，建筑结构的屋顶被掀翻。又一天以后，4号反应堆也发生爆炸。官方还在观察2号反应堆，并认为它会没事，但是，随后发现这座反应堆的核废水泄漏到了地下水中，而这会对整个地区造成污染并带来毁灭性灾难。
尽管还没有直接的核辐射造成的死亡报道，但超过1.8万人在这灾难性的一天中死亡或失踪。这一事件的另外一个较为严重的后果是不断地发现有儿童患上甲状腺癌。
图2 福岛核电厂严重毁坏的反应堆
福岛灾难的场景还不像1986年发生在乌克兰的切尔诺贝利核反应堆爆炸事件那么糟糕，那次事件导致事发地点29km以内的范围都不适合人类居住。这些地区还需要2万年才能恢复。遗憾的是，由于巨大的反应堆建筑受到严重损毁，只有很少的几个机器人可以对毁损程度进行基本的可视化分析。他们的解决方案是，在靠近反应堆的辐射较小的位置建造一个巨大的、可滑动的实体圆顶房屋（见图3），然后将它滑动到覆盖损毁的4座反应堆上的石棺上方的位置。尽管切尔诺贝利地区的两个中等大小的城镇必须永久废弃，但是该地区的人口密度并不像福岛那么大。大福岛县地区的人口有200万。
图3 在乌克兰的切尔诺贝利，实体的、安全的圆顶房屋滑动到严重受损的反应堆之上
和任何其他的危险环境相比，核电站反应堆灾难的不同之处是：暴露在高辐射环境中是相当危险的，当反应堆严重损毁时，尤其如此。还没有某种类型的防护服，能够让人类穿上之后就不再受到爆炸后的反应堆核的高辐射的危害。这就给负责善后清理的人们留下了两种解决方案：要么像切尔诺贝利的解决方案那样，保持反应堆不动并且尽可能用一个防护罩覆盖它，要么使用机器人来完成善后清理工作。
用来冷却福岛电厂反应堆的水（随后也会变成高辐射污染的水）现在存储在该地区的几个大罐子里。很多罐子里的水开始泄漏到地下水中。2013年，TEPCO提出了在整个设施周围建设一堵“冰墙”的想法——深入到周围的地下去铺设众多的管道，然后在其中注入-40℃的冷却剂来形成“冰墙”。
遗憾的是，人们很快就发现放射性物质泄漏到了地下水中。台风以及由此引发的暴雨灌满了反应堆所在的建筑，导致水压很大并且水漫过了保护性的“冰墙”。
日本在机器人方面处于世界领先的地位。日本工业界立即着手设计专门的机器人，以辅助进行最初的清理毁坏建筑物的任务。美国公司iRobot立即送来了它们的PackBot以帮助开展清理工作。Honda很快设计并制造出High-Access Survey机器人，通过让该机器人在地面上行进以对毁坏的地方进行可视化检查。Hitachi ASTACO SoRa双臂机器人以及拥有一个可扩展胳膊、触及范围高达8m的Mitsubishi MHISuper Giraffe机器人，也都用于去触及那些难以看到的区域。
2014年，我介绍了福岛在早期的灾难恢复中使用了上面提到的那些机器人。在那个时候，灾难恢复工作似乎是在顺利进行。遗憾的是，我们已经从随后的新闻报道中了解到，在地震发生6年之后（也就是2017年），情况并没有好转。在某些方面，长期的放射性泄漏甚至比放射性的地下水更糟糕。似乎应该由灾难恢复机器人的设计者们通过自己的努力来生产一款可用的机器人，“构建起一堵墙”，从而解决高放射性的蔓延所带来的可怕的危险。
Hitachi旗下的机构Hitachi-GE Nuclear Energy开发了一个61cm长的蛇形机器人。图4展示了这种机器人的内部结构。2015年4月，该机器人被送到1号反应堆的包围容器之中。使用者通过一条线缆对它进行遥控，就像稍后介绍的Toshiba模型一样。图4展示了它粗壮的蠕动驱动电动机以及将每一端弯曲成一个C形的、沉重的机械装置。该机器人中部的摄像头可以向两端移动，并且在两个蠕动驱动部件的下方有两条粗粗的橡皮筋。此外，我们还可以看到其沉重的机械式铝结构。这个机器人在检测了计划的18个位置中的14个后，才失去了控制。
图4 Hitachi蛇形机器人的内部结构
Toshiba还制造了一款机器人（见图5），该机器人进入到了一大堆残垣断壁中试图找到600t的金属核燃料棒。钚铀氧化物混合燃料（MOX）有很强的放射性，并且有人认为如果人暴露在其中，人受到的影响是致命的。人体短期受到10Sv（希沃特，辐射量的单位）的辐射，会立即生病并且在未来的几周内死亡。
图5 Toshiba Scorpion机器人。注意其橡皮筋，其中的一个已经在使用中损坏
在尝试修复、清理和移走废墟以找到2号放射堆丢失的燃料的几年时间里，Scorpion机器人一直在一个下水道井盖附近爬行。据测量此处的辐射量达到650Sv，这将会导致人类立即死亡。TEPCO根据该机器人传回的视频图像判断，丢失的燃料就在那里。
Toshiba的Scorpion及其较早的一款机器人都被设计为能够承受1 000Sv辐射的机器人。即便如此，Scorpion的两个53cm长的橡皮筋中的一个，还是在进入2号反应堆的时候丢失了。由于复杂的半导体结构很容易在高电离辐射下损毁，因此这款机器人的控制电路中拥有极少的电子元件。其上面的摄像头和LED光环可以沿着两个轴移动，并且电动机也受到了很好的保护。下面的摄像头和光环则通过传送带驱动系统来移动。
由于某些原因，这两款机器人在工作不到1天的时间后，就陷入困境并且“牺牲”了。失败的原因并不是由于高辐射，而是因为断壁残垣扯断了橡皮筋。由于这些机器人已经经过了高度辐射，因此人类不能再移动或接触它们。
日本千叶工业大学的未来机器人技术中心（Future Robotics Technology，fuRo）正在研制一款名为Sakura的紧凑的探险机器人（见图6）。这是他们的灾难救援机器人产品线中最新的一款，它被设计为能够进入到已经毁坏的福岛核反应堆建筑物的地下室中。按照fuRo的说法，“Sakura的任务是进入到核电厂的地下建筑之中。它的结构非常紧凑，因为它必须通过只有70cm宽的楼梯向下行进，并且要在只有70cm宽的地面上转弯。”
图6 Sakura机器人被设计用来爬过废墟以查看反应堆建筑的损坏情况
冷却水在反应堆中的某处泄漏了，因为不管多少水抽进去，水平面都无法高于60cm。但是，除非这个空间都充满了水，否则机器人无法安全地移除融化的燃料棒。因此，Sakura的首要工作是搞清楚裂缝到底在哪儿。Sakura将使用摄像头来查找裂缝，当然这个摄像头并不能看到所有地方。
Sakura碰到的另一个障碍是通往地下的楼梯通道比地面上的楼梯陡峭。好在Sakura已经改进了爬坡性能，能够处理的陡坡角度从42°提高到了53°。之前的Rosemary模型在底部有一个2mm的铝制底盘，但是Sakura有一个5mm的不锈钢底盘来防止辐射。
有很多公司想要设计出这样的机器人——能够抵御高辐射环境并在废墟遍布的地方工作，而这些环境是人类无法到达的。很多的有害区域，机器人进入之后是毫无损害的，而本文所讨论的机器人要进入的环境，比深入地下的空间或者海洋的底部还要危险得多（可能唯一的例外是金星的表面。机器人航空器要在金星登陆，则必须忍受相当于地球海洋914m深处的压力以及863℃的高温）。
我将从具有极度危害的环境退一步来看，看看那些早期类型的机器人，它们能够在人们周围甚至是在没有人类出现的较大的建筑物或陆地区域工作。巡逻机器人并不是1987年的电影RoboCop及其后续的两部所描述的那样的杀人机器。
很多警察和安保服务机构在寻找一种新的巡逻机器人，以监控城市中有潜在问题的企业、学校以及其他人群聚集的地区。还有一些区域并不是人群聚集的地区，但却是人们不应该去的地方，例如仓库、放学后的学校以及军事基地等对安全性要求很高的地区。这些地方也是适合使用巡逻机器人的地方。
Knightscope是位于加利福尼亚州山景城的一家硅谷创业公司，在2012年12月桑迪胡克校园惨案和波士顿马拉斯爆炸案之后，该公司才成立。该公司的核心产品K5如图7所示，该机器人于2013年开始研发。K5机器人身高为1.5m，质量为136kg。这款巡逻机器人有一系列的传感器，包括一个视频摄像头、热图像传感器、激光测距仪、微波近程传感器、空气质量传感器和一个传声器。在图7中，较小的、1.2m高的K3模型位于K5的旁边。
图7 Knightscope的K5巡逻机器人以及比它小一些的兄弟K3
这些传感器除了能对不正常的噪声和温度变化进行检测外，还能判定一个“被检测的”个体是否有犯罪的想法。
汽车喇叭响、玻璃破碎声以及人的尖叫声等都会被记录下来并进行分析。在查看了视频之后，远程操作员可以向当地机关发出预警。该机器人可以和一台IBM Watson超级计算机交互，从而优化与犯罪嫌疑人的特定交流过程，以便警方能够做出反应并且有可能预防犯罪行为。
Knightscope公司负责市场营销的副总裁Stacy Stephens强调，使用K5进行巡逻的费用大约为每小时6.25美元，大概是公司雇用一个同等的人类巡逻员费用的四分之一。Stephens说：“它会在地面持续巡逻，而不需要坐下来或者到外面去抽烟。它们身体力行，身先士卒。它们的角色被认为是支持性的，只是负责观察并报告。它们根本没有攻击性的措施。”Knightscope的机器人在斯坦福的一家购物中心撞倒了一个姗姗学步的孩童，但是这一事件有一定的特殊性。并且，该公司也为此而道歉。
中国某公司最新发布了他们的AnBot安保机器人，如图8所示。“An”在中文中表示“安全”。这台机器人已经在中国的火车站和机场中使用。
图8 中国的安保机器人AnBot
它们被部署来进行巡逻并实现人脸识别。它们还被用来检查火灾隐患，其中的一台机器人还确实在第一天上班的时候就发现了火灾隐患。它们还被用于引导以及通过读取机场和火车站的工作人员的工牌来对他们进行身份验证。
图9 E-Patrol机器人Sheriff
E-Patrol机器人Sheriff如图9所示，它是AnBot的另一种变型，它具有一个不同的轮结构，还增加了一个LCD信息面板。图10展示了一名安保人员将信息下载到自己的手机上。这两款机器人都身高1.6m，看上去和Knightscope机器人很像。据说它们都能够抓捕犯罪人员，但我并没有看到机器人身上有任何攻击性的武器或胳膊。一些报告说它拥有一把电击枪。（人们仍然相信机器人带有武器？）
图10 AnBot和安保人员在深圳国际机场
在为了写这个专栏而阅读的大量文献中，我看到了2017年年初Georgia技术研究所进行的一项研究，该研究表明很多人过于相信机器人。在这个案例的一次模拟的建筑物火灾中，人们使用了图11所示的“紧急引导机器人”。大约40个人参加了这一测试。刚开始的时候，机器人要引导人们进入会议室，但是失败了。随后，当模拟的火情和烟雾出现的时候，他们被再次告知跟着机器人引导的路线撤退。
图11 紧急引导机器人和进行这一测试的3名GTRI工程师
尽管知道机器人在之前的测试中失败了，但人们还是按照机器人的指示去做。负责这项测试的工程师Paul Robinette说：“我们以为，如果机器人已经在引导人们进入会议室的时候证明了其是不可信任的，那么在模拟的紧急情况下，人们并不会遵从它的引导。但是相反，所有的志愿者都遵从了机器人的指示，而不管它在之前表现得多么糟糕。”
Robinette（图11中站在左边的工程师）评论道：“我们肯定不期望出现这种情况。”似乎机器人已经变成了“权威人士”。这款机器人足够大，能够身先士卒，并且用两条发光的“胳膊”指明了人们应该行走的方向。难道人类就是传说中被引导走入海洋的一堆旅鼠吗？我猜测肯定有人会这么想。
执法机器人、军用机器人以及类似的机器人设备，必须能够在很多不同的环境中工作，例如在废墟中、楼梯上和带有敌意的人的环境中。这些机器人不仅必须能够给远程操作者提供视频和声音反馈，而且在某些特定的地点和在有人质的情况下，机器人还必须能够提供双向通信。很多时候，这种类型的机器人会遇到带有爆炸性设备的个人，或者是可能会有危险的、未知的包裹。执法机器人或军用机器人比任何其他类型的机器人更可能会遇到一些未知的情况。
士兵可能要去检测一个简易爆炸装置（improvised explosive device, IED）。它通常是由废旧的爆炸壳体、电池、带有便宜的纽扣电池的雷管和接收敌人的引爆信号的电子电路临时组装而成的。拆弹组（explosive ordinance disposal，EOD）的士兵或者警察很愿意使用遥控机器人来进行侦查，并且用一个破坏性装置来引爆爆炸物或者使其失效。
对于在全世界范围内普遍使用警用/军用机器人，已经有很多的故事了。在伊拉克，上面提到的简易爆炸装置（IED）是美军和联军士兵的头号杀手，从而催生了质量为220kg的Remotec Andros F6A机器人（见图12）。这款机器人的可用款售价6.5万美元，配备所有配件的、功能完全的F6A的价格超过了20万美元。在全世界范围内销售的超过1 000台的警用和军用EOD机器人中，它简直就是“凯迪拉克”（或者是兰博基尼）。图13展示了Northrop Grumman（NG）Remotec Andros F6B机器人的一些新功能。
图12 Remotec Andros F6A远程排爆机器人
遥控的关节式胳膊在完全展开时能够操作质量为11kg的物体，接合式的轨道允许这台机器爬上45°的楼梯和越过非常崎岖的地带。多关节的胳膊、高清晰度的彩色摄像头以及与光纤线缆卷轴系统配合的强大灯光，使得远程操控员能够非常清晰地看到一些一般情况下难以看到的地方。我曾经有机会操作该机器人较早版本的一款，它真得很容易操作。
图13 NG的Remotec Andros F6B机器人的部分新功能
美国国防后勤局（Defense Logistics Agency）的1033项目允许执法部门使用超过美国国防部之外的资源。加利福尼亚州西柯维纳市的警察部门，通过这个项目得到了12台机器人。这个人口刚刚超过10万的小城市的一个小小的市政部门，得到了2台大型的Remotec Andros机器人和10台iRobot（现在的Endeavor Robotics公司）的PackBots机器人。根据Brian Daniels警官的说法，尽管这对如此小的一个警察局来说，机器人可能有点太多了，但并不是所有的机器人都能工作，也并不是所有的机器人都在使用中，有一些机器人处于维修保养状态。
他们查看了价格在15万～20万美元范围内的机器人，其中，Andros机器人的最新价格有点太高了。加利福尼亚洛杉矶的警局也通过1033项目购买了机器人，Scott Ewell警长解释了为什么这些机器人只是部分使用。Ewell对于这一项目的评价是：“这些项目并不能给你很好的装备。这些机器人是人们不想要的多余之物。”
尽管Ewell说他认为数十亿美元的市场规模有点太高不可攀了，但他确实认为很多部门为直接购买机器人做了预算，并且他也认为机器人的价格将会降下来。他注意到，这些部门曾经在无人操作的地面交通工具上花费30万美元，但是只需要1万美元就能够购买一台机器人来执行同样的任务。
Applied Geo Technologies（AGT）是密西西比州Choctaw集团旗下的公司，2004年，它们为美国军方制造了如图14所示的多功能灵活遥控机器人（Multifunction Agile Remote Control Robot，MARCbot）。每一台机器人的造价大约为8 000美元，这些小的、功能强大的机器人在伊拉克战争中帮助士兵搜索并识别简易爆炸物。它是由总部位于加利福尼亚门洛帕克的工程咨询公司Exponent为军方开发的。
图14 AGT公司的MARCbot Ⅳ机器人
军方在阿拉巴马州的红石兵工厂进行了大量的测试。最近，NASA马歇尔太空飞行中心购买了2台MARCbot，他们的工程师对已有的良好设计进行了大量的优化。他们将一个模拟视频摄像头更新为数字系统，并且加密了控制系统和视频反馈，这样做控制范围增加了，他们还添加了更多的传感器和通信功能，最后得到了一个更加简单而且便宜的平台。
现在，美国军方已经在海外部署了数以百计的MARCbot，以帮助士兵识别简单爆炸装置和其他的爆炸装置。士兵使用标准的Windows笔记本电脑，该电脑带有一个熟悉的视频游戏控制器。
通过GPS定位功能和指南针，该机器人使用寻路软件可以找到回家的路。该机器人的底座是由很容易得到的部件制造的，比通常的无线电控制的越野四轮车还要牢固。
我曾经接触过很多的机器人，从在极度有害的环境下工作的机器人，到在商场和机场附近巡逻的机器人。我看到过价格数十万美元的机器人，在关乎人命的时候，其每一分钱都花得物有所值，还有那些价格在1万美元以下的机器人。基本的警卫和安全保护机器人并不需要加装胳膊和腿，特别是对于特定的群体只需要使用“监视”功能，或者只需要在对峙之中递送一部手机的时候。我自己很快就能勾勒出较低成本的警用机器人的设计，这些机器人非常牢固且功能强大，且造价在5 000美元以内。我曾经和几个具有类似想法的机器人设计团队的成员探讨过。
基本的情况是，在如今这个时代，各种类型的执法机器人的需求非常大。我希望每个人都衡量一下自己的能力，并且尝试去满足这种市场需求。
Tom Carroll 撰稿 李军 译
数十年来，设计能够在日常生活中和老年人交互并帮助老人的陪伴机器人，一直是机器人设计师（包括我自己在内）的目标。开发一款可用的个人助理机器人的主要障碍是实际的人机交互因素。
很多机器人设计者受到军队残疾老兵的激励，这些老兵从战场上返回，身体上有永久性的伤害，这些伤痛使得他们的生活变得非常困难。
这个团体首先激励着我，因为我的一个儿子在海军服役时也严重受伤，他发现自己的余生将面临很大的挑战。在他接受治疗的弗吉尼亚州的医院，他所遇到的其他老兵有着和他完全不同的伤害和残疾。
研究的残疾人越多，我就越发现没有特定的设计能够适应所有的甚至是一小部分残疾军人，因为他们的需求千差万别。腿残疾、胳膊残疾和身体其他部位的残疾，在所需要的帮助上有很大的不同。当然，这也适用于其他所有有身体残疾的人，而不只是残疾军人。
几十年前，当我开始研究老年人需求的时候，我访问了几家老年人护理中心，包括小型的私人护理中心以及更为细致的24小时护理辅助中心。我和很多的老年人交谈，包括长期卧床的老人以及那些可以走路并且能够到外面去旅行的人。
我所采访的私人护理中心的老人，很少有人的需求是和别人类似的。可以想象得到，当我向他们展示我要设计专用机器人来辅助老人独立生活这一场景时，他们的反响各不相同，从“我不想让任何机器来照顾我”到“哦，一台机器人在日常生活中照顾我的话，肯定要比我在这里（护理中心）的花费便宜很多”。一个人告诉我，“我有一辆车停在家里，我已经没法再驾驶它了。我可以把它卖掉并给自己买一台机器人。这样，我就可以回到自己家里了。”
我很快意识到，我所访问的大多数老年人并不是“残疾”，他们的身体能力只是不再像曾经那样强壮。那些残疾军人有很多不同的身体需要，但老年人不同，老年人在日常生活中则需要几乎相同的身体照顾。他们只是身体受限，而不是残疾。他们从床上、椅子上、厕所站起来所需要使用的那些肌肉，不再像是他们年轻时候那样发达了（我自己就可以证明这一事实）。
我开始意识到，能够保持老年人在日常生活中的独立性的一种风格独特的个人助理机器人可能会非常有用。大多数人对于能够做他自己曾经总是能做的事情会感到骄傲，并且当被告知必须依赖其他人才能够完成日常所需的时候，这对他们的自我价值感是一种颇具伤害的震动。
请人来照顾，价格可能非常昂贵。个人家庭服务机器人则能够以较低的成本，完成人所能做的大多数事情。我在之前的文章中介绍了不同类型的安全和警用机器人。这些机器人大多数是和人类大小差不多的机器人，但是它们并不能在身体层面为人提供帮助。
在深入介绍辅助人的、功能复杂的机器人的进展之前，我想要先看看几十年前的情况，讨论一下早期的开发者认为家庭机器人需要具备什么功能。让我们先来看看几十年前的一些“经典的”、较大的家庭服务机器人，它们似乎在那时候已经具备了很多的能力。
多年前，我介绍过一些非常有趣的大型家用机器人。其中的一台机器人叫作Hubot。TOMY 2000、Androbot系列、RB5X以及Heath Hero系列等较小的机器人，在它们那个时代也非常有趣，并且具备一定的功能。但是这些机器人中的大多数，除了给人们帮忙送来提前准备好的饮品之外，在其他方面并不是很有用。Hubot从这众多的机器人中脱颖而出，主要是因为其大小和功能。
Hubot是1983年由Mike Forino开发的，并且在1984年的CES上初次亮相。Forino的早期的经验集中在工业机器人系统方面。他组建了一家名为Hubotics的公司，生产如图1所示的高114cm、质量49.8kg的机器人。Forino认为，这个相当大的Hubot可以看作一款正规的家用机器人，因为它的设计目的不是来给教育者或爱好者使用的。有些人开玩笑说，Hubot只不过是移动平台上的一台电视机而已。该机器人的身体外壳设计精良，并且它站立起来的高度足够与人进行交互（见图2）。
图1 Hubotics在1984年制造的Hubot
图2 报纸刊载的Hubot在厨房的一张照片
电视机通常是用作SysCon计算机的监视器，该计算机带有3个Zilog Z80A处理器，有128KB的RAM、42KB的ROM和一台80列乘以24行的显示器，一个磁盘驱动器和一个64键的可拆卸式键盘，还有几个用于外围设备的I/O端口。该计算机分为两个部分，一部分用于控制机器人系统，另一部分用于实现其功能。记住，当时的个人计算机价格相当于比今天的1万美元还要高。
正如我在之前的文章中介绍过的，还有一些较为有趣的外围设备，如具有1 200个词汇量的语音合成器；围绕着机器人的旋转的超声传感器，它是用来检测墙壁和物体的“障碍传感处理器”；还有电子时钟和电池充电器。Hubot的价格为3 495美元，是针对高消费人群的产品。对于真正意义上的第一款机器人来说，这并不是很糟糕。
Forino还增加了其他可选的“扩展”功能，例如安全警卫系统包、通过计算机或手柄实现的语音命令以及Atari 2600视频游戏控制台。自动的充电系统允许该机器人在电量不足时直接走到充电位置。它还提供了真空吸尘器功能包。最吸引我的功能是他们计划增加一条胳膊和具备功能性的手，尽管我并没有看到这些功能的实际使用。
在Hubot推出后不久，马里兰州哥伦比亚的Arctec Systems在1985年研制了Gemini自主式机器人。Arctec的资料宣称：“你可以认为Gemini是真正有生命的。”这款机器人如图3所示。我在该公司的产品目录上看到其“组装和测试”款的售价为6 995美元，这可是在1985年。在那个年代，一辆一般的新款汽车的售价为6 495美元，并且人们的平均年薪大概为12 747美元。
你可能真的想要购买一台该机器人，特别是你可以以几乎相同的价格买到两台Hubot。你可以按照2 350美元的价格购买Geminix的实验者工具包（这就是不带外壳的Gemini），并且自己动手构建Gemini，从而节省4 645美元。图4展示了Gemini的内部结构，并针对每一个部分给出了说明。
图3 Arctec在1985年制造的Gemini自主式机器人
图4 Gemini的内部组成结构
我曾经有机会在RI-SME展示上体验了Gemini。它的表现令人惊讶。这款机器人高122cm，带有一个51cm的基座，它的大小和Hubot类似，但是要略高一点，质量达31.75kg。它使用了3个Rockwell 65C02微处理器板子，拥有64KB的ROM、56KB的RAM，主计算机的处理器运行速度为4MHz，另外两个处理器的运行速度为1MHz，分别用于语音处理和电动机控制。
还有另外两个处理器用于无线IR键盘和遥控。40字符×8字符的LCD显示屏，使得人们可以通过可拆卸的键盘来直接编程。它使用Polaroid的静电超声波传感器来检测物体和墙壁的距离，从而进行导航。
这些单接口的传感器在当时非常流行，如果你没有留意的话，可能还会对驱动主板感到震惊。Gemini还使用了IR发射器信标，当应用IR反射胶带的时候，Gemini可以从门口和特定的目标进行反射。通过该系统，Gemini还可以检测其充电基座。
自主控制并不是其唯一的控制方式，用户还可以使用无线键盘来发布命令，也可以通过声音识别系统来发布语音命令。此外，还有连接到一台单独计算机的RF可供使用。用户可以通过常用的RS232、双工并行端口甚至旧式的并行打印端口等3种端口中的一种来连接游戏控制杆。
Arctec是那个时代独一无二的公司，因为他们鼓励对机器人进行改装。机器人Gemini拥有强大的供电系统，可以为各种附加设备供电。他们鼓励用户添加外围设备甚至是胳膊，并且这些“改装”版也可以在所有者之间发布。Gemini是一款正式的、独立的实验者机器人，但是，其过高的价格导致其数量较低，因而无法成功地占有较大规模的市场。
再来看看其他时间段出现的机器人。三星开发了一款较小的家用机器人，这款机器人并不是家庭中的一个体力活助手，而是帮助家庭成员与屋内的控制系统以及外部进行沟通。
iComar是Internet Communicable Avatar Robot（互联网可交互阿凡达机器人）的缩写，它制造于2001年，如图5所示。它的定位为寓教于乐型机器人。它具备很多的功能，尽管它的高度只有60cm，质量只有10kg。
通过9个声呐超声波测距仪，iComar能够自主地在家中导航并避开障碍物。它通过压电式触摸传感器和用户交互。它还能够执行一些简单的任务，例如根据语音命令来播放音乐。它还能够通过编程来执行任务，例如在用户回家之前打开灯光和各种家电。
注意，那时候三星和苹果还没有今天这样的真正的智能手机，如今一个人能够通过不同的智能手机来执行相同的任务。iComar的互联网连接功能允许其通过LCD屏幕和内置的摄像头进行双向视频聊天，尽管视频图像的质量还有待提高。它还可以充当家庭安保机器人。当它检测到房屋周围有不正常活动的时候，它会向主人发送文本消息，并且它还有一个内部的报警系统。iComar使用Pentium MMX 266 MHz CPU以及互联网连接，并且通过语音识别系统来进行机器人控制。
iComar使用摄像头进行图像识别，并且使用传声器进行声音检测和通信，它还能够自主地移动并且允许用户向它发布命令并执行某些任务，如控制房间里的家电和灯光。图6暗示了为什么iComar的销售并不像三星想象的那样好，它更多像是一个玩具而不是一台有用的家电。
图5 三星的iComar机器人并没有变得流行
图6 三星的iComar和一个小女孩在一起
Luna是一款1.5m高、29.5kg重的遥控机器人，如图7所示，它是由Fred Nikgohar及其在加利福尼亚圣莫尼卡的RoboDynamics公司的团队开发的。这款漂亮机器人的外壳是由加利福尼亚州帕萨迪纳市的Schultzeworks公司设计的，并且它还有一个8英寸（约20cm）的LCD电容触摸屏。
Luna拥有一个双核Atom处理器（2GHz），其上运行着ROS系统，它带有8GB的Flash存储，该存储最大可以扩展为32GB。Luna还带有一个功能强大的nVidia 94000M混合显卡。在最早的Kickstarter阶段，Luna售价为999美元，现在的售价为3 000美元。
图7 Robodynamics的Luna机器人
几年来，在新闻报道中Luna是作为Kickstarter基金项目出现的。它的风格和身高吸引着我。Nikgohar曾经说过：“Luna可以照看老年人的生活，并且帮助他们保持独立性。Luna可以作为一个宝贵的医疗性助理，提醒病人吃药，通过递送东西来帮助护士，或者将东西从一个房间运送到另一个房间，或者方便地把专家带到病人的床边（通过遥现技术）以进行紧急的医疗诊断。”
Nikgohar说：“Luna是一款针对日常实际应用设计的、大小与人类相近的个人机器人。它拥有App商店、众多的功能和良好的个性化。自成立之初，我们的任务就是把机器人带给大众。我们相信机器人和人类可以在一起和谐地生活和工作。这就是我们制造Luna的原因。
“Luna是针对日常实际应用设计的个人机器人。它是一个功能强大的平台，通过应用商店的模式，它可以提供日益增加的、广泛的App和服务。在未来，机器人将成为每个人生活中常见的一部分，而Luna是朝着这个不远的将来演进的第一步。”
Nikgohar对于该机器人的设计有3个方面的期望：通过扩展端口和RF（Wi-Fi、蓝牙和3G/4G）实现可扩展性，通过ROS完全可编程，最重要的一点是价格可以接受。Luna有一个800万像素的高清晰度的摄像头，具备变焦功能，还有一个高品质的扬声器以及3个高品质的传声器。Luna的“胳膊”是非功能性的管状物体，但是，在简单的任务中它可以固定，如图8所示。
图8 Luna的胳膊可以手动固定以运送盛有玻璃杯的托盘
该机器人的电池可以续航8h；驱动轮包含了10位的轮子编码器，以进行精确的导航和测距；还有一个PrimeSense 3D摄像头系统辅助其在家里导航。开源的平台允许开发者针对额外的机器人功能开发软件。
根据RoboDynamics的说法，Luna的功能只会受到用户的创造力的限制。
我想要看到大家开发真正的机械式胳膊，但是Luna狭窄的上半身并不允许任何沉重的电动机来驱动这样的胳膊。Luna似乎有着非常小巧的设计。图9所示的照片展示了一个内置的手柄可用于运送这款29.5kg的机器人，尽管要单手运送该机器人可能有点沉。
图9 单个手柄的想法很好，但是它可能还是有点沉
为家居生活中辅助老年人而设计的作为护理工具的机器人中，给人印象最深刻的是由德国Fraunhofer研究院开发的Care-O-Bot。图10所示的这款售价为27.5万美元的机器人功能强大、设计精良，可以作为老年人家庭中的助手。
图10 Fraunhofer研究院的Care-O-Bot 3老年人护理机器人
它们的网站这样描述：“Care-O-Bot系列第三代的特点是，像产品一样的系统设计，并且提供了在日常环境中应用操作移动服务机器人的潜力。日常的实践证实了应用工业部件可以确保系统的可靠性。
“在紧急状况下，快速和面向目标的支持是很重要的。例如，当用户跌倒的时候，Care-O-Bot 3能够朝着摔倒的人移动。同时，它可以和急救中心建立通信，以便急救中心能够使用机器人的视频、扬声器和传声器和用户交谈。”
和往常一样，我想先来介绍一下过去的一些相关的机器人，这些机器人似乎具备我所讨论的功能，然后，我们再回到现在。在这个特定的情况下，上面的那些机器人还没有一个能够具备在家中辅助人类（可能并不是一位老人）所需的所有功能。
有很多简单的设备能够在一天中的不同时间提醒人们吃一种特定的药丸：戴在脖子上的一个简单的项链，可以在紧急状况下呼叫医院或警察局；其他的设备还允许人们通过语音命令来拨打或接听电话。
如今，Skype在智能手机、笔记本电脑和台式计算机上都可以使用，因此，如果要和朋友、医生或者任何人视频连线，只要他身边有可用的计算机或者其他带有摄像头的终端就可以了，而并不需要移动机器人。
Amazon的Echo系列带有友好的Alexa语音App，在两年左右的时间里，它就变得极为流行了。聊天机器人已经出现一段时间了，但是，像Echo这样的桌面设备肯定满足了通过Alexa和Google Home进行语音沟通的需求。
Cortana已经在计算机上可供使用有一段时间了，Siri在iPhone上可供使用也有很长一段时间了。然而，如果我们给移动的家庭服务机器人添加会话功能，让其成为真正的机器人以供使用，这会让老年人独立地生活吗？
通过云实现的人工智能和语音通信取得了很大的进步，因为这些进步，如今的家庭服务机器人似乎也拥有一些令人惊讶的功能了。它们能够在你的家门口通过人脸识别认出你，并且高兴地和你打招呼。
一些个人机器人能够进行某种有意义的对话，尽管对话还略显僵硬。一些移动机器人能够给人送食物和饮料，只要人们将需要的物品放到进行递送的托盘上就可以了。家用机器人似乎具备了完成很多家庭任务的功能。
很快就要发布的Jibo（你之前听说过它吗？）也被称为机器人，因为它有可以移动的头部和躯干，它是“热情的”并且就像是“家庭成员的一分子”，人们可以在日常生活中弯下腰去和它对话。如图11所示，Jibo是一款社交机器人，而这种机器人已经不断地出现在市场上了。我必须感谢它的发明者Cynthia Breazeal博士，她并没有像很多机器人公司所做的那样，在这款产品还不完美的时候就将其推向市场。
是的，她得罪了一些早期投资者，他们认为这款机器人几年前就应该交货了。但是，正如她的文章所讲，她拥有MIT的电子工程和计算机科学博士学位，她希望通过自己的努力让产品能够尽可能地接近完美，毕竟这些年来，厂商已经向公众发布太多“有问题”的机器人了。Jibo运行的视频肯定会给人这样的印象：它应该能够和老年人进行社会性交互。
我认为这个可爱的小机器人，最终可能会比Paro这样非常昂贵的、5 000美元的“动物宠物机器人”更加有用，Paro是以一只小海豹为模型制造的机器人。Paro（见图12）已经上市10年了。我确信，Paro的制造者一定认为一只充满善意的、软软的、带有毛发的白色小海豹要比放在老年人怀中的任何宠物都更加可爱。
图11 Jibo的LCD屏幕看上去像一个白色的球
图12 陪伴老年人的海豹机器人Paro
我坚信，Jibo作为和老年人进行社会交互的机器人，销售量将会是Paro的10倍，尽管Jibo只是坐在桌子旁边，就像跳着舞一样移动着并且和主人谈论着一场暴风雨。Jibo的AI可能最终表现为一个能够陪老年人娱乐的、不错的聊天机器人，因为Breazeal博士决定赋予该机器人真正的个性。
前面提到的Alexa、Cortana和Siri都并不是作为真正的善于聊天的“人”而设计的。对于综合性的AI来说，真正的对话是很复杂的。数年前，微软发明了对话式的语音AI聊天机器人，叫作Tay。图13所展示的Tay是一名女性，Tay只是一个AI软件。Tay被训练为像一个拥有千年智慧的人一样地说话，而不是像Cortana或Siri那样作为个人助理。它可以学习交谈，用和它说话的人同样的方式去说话。第一名用户首先在Twitter上发现了Tay，随后，它还出现在Kit和GroupMe上，并且它能够和微软的Bing搜索引擎交互。某媒体这样介绍Tay：“该团队使用了公共数据，以及来自类似即兴喜剧演员和AI专家的输入。”
图13 微软的Tay被恶意用户毁坏了
就像是很多人通常感兴趣去做的那样，该软件程序的早期用户很快就毁坏了“它”（Tay拥有女性的声音）——它的话开始变得极端，并且还使用一些不受欢迎的话语。
根据微软发言人在最近的GeekWire上的表述，“Tay更像是一次社交和文化实验，而不只是一项技术。遗憾的是，在Tay上线的最初24小时内，我们意识到一些用户集中协作地滥用Tay的评论技能，让Tay以不恰当的方式做出回应。最终，我们只好让Tay下线并进行相应的调整。”
只是关注能够与老年人沟通的机器人是不够的，这些机器人还应该能够给予老年人体力上的帮助。来看看我提到的早期的机器人，它们都是可以移动或者能够遥控的，或者可以通过编程实现移动的。除了iComar之外，似乎所有机器人的形状和大小都在某种程度上和人相似。只有Luna有胳膊，并且这些简单的管状胳膊可以手动固定以拿起某些物体。几乎所有这些机器人都漏掉了在体力上协助人类的任务。
人类如何学习与其他人类交互呢？多年来，我们正是通过学习这一复杂的任务才在社会中成长起来的。但我们几乎不会从基本层面来教授这种技能，似乎高级的大学级别的课程才是学习这一特定的重要任务的唯一来源。
Claire Maldarelli在一篇文章中提到：“正如在To Kill A Mockingbird中，Atticus Finch告诉Scout的那样，你永远无法理解一个人，除非你从他的视角来看待事物……；除非你钻进他的身体并且在里面转一圈。”有了R70i老年人套装，你几乎可以做到这一点。Genworth R70i老年人套装是一套特殊的外骨骼套装，年轻人可以穿上它来模拟自己变成老年人以后的样子。这个套装的发明者Bran Ferren对人老了以后将会是什么样子很好奇。弯腰驼背，行走缓慢，讲话絮絮叨叨，感官迟钝。他发明的质量为18kg的套装如图14所示。该套装可以模拟老年人的众多状态，例如髋关节损伤这样的身体上的困难、无法触碰到高高的架子的困难、视力模糊不清以及其他类似的困难。
图14 Genworth R70i老年人套装
我知道Tandy Trower已经好几年了，并且参观过它在南西雅图的设施。Trower在1981年加入微软，那时候微软的员工还不到90人。他是一个团队的负责人，该团队曾开发了针对基于Intel的计算机（通常称为PC）的Windows操作系统的前两个版本。我第一次听说Trower是在2005年，他作为Bill Gates的战略管理团队的一员，被Gates授权组建微软的机器人创新团队。Trower和Gates在一起的时候，盖茨这样介绍他：“Tandy Trower负责管理我们的机器人团队，实际上，这个团队是他组建并发展的，并且他对这一事业投入了很多的热情。”图15所示的是Tandy Trower和Bill Gates在2008年佛罗里达州奥兰多的Microsoft TechEd上的照片。
图15 Tandy Trower和Bill Gates在Microsoft TechEd 2008大会的机器人展示现场
Trower开发了在2006年发布的Microsoft Robotics Developer Studio，并且一直在Robotics Group工作，直到2010年离开并组建了Hoaloha Robotics。Hoaloha是夏威夷语，表示富有同情心的朋友。我和Trower保持联系，是因为他正在开发一款非常高级的、为当今的老年人服务的机器人。我曾经看到过它的几个原型，它们都令人惊讶。
Trower正在创建人类大小的机器人来帮助老年人，并且使用LIDAR、视觉系统、典型的声呐和光柱传感器来实现某种令人吃惊的导航系统，从而精确地在家中移动。我还曾经把我对于个人助理机器人的研究数据提供给他，因为我觉得他比任何人都更接近于制造出一款真正的、可工作的机器人，该机器人可在家庭中帮助老年人。
我们都曾经看过播放了很长时间的、关于负责老年人安全的Life Alert医疗急救响应系统的电视广告。老年人躺在地板上并对着脖子上的项链喊出了这些令人难忘的话，然后，她听到一个温柔的回答，说急救人员正在赶往她家的路上。
实际上，在很多人为的场景中，世界各地的每一个喜剧演员都会快速地使用这些话，如图16所示的小猫那样。当然，我们可以一笑了之，但是这种场景总是如此真实。我自己曾经遇到过几次这样的情况，我的岳母躺在地板上数小时，直到我岳父赶回家帮助她从地板上站起来并坐到椅子上。她并没有受伤，但是她也会很容易真得像这样摔倒而受伤。
图16 一只小猫在寻求帮助
正是由于这些特定的场景，我希望看到个人助理机器人能被开发出来，以使得数以百万计的老年人能够在日常生活中更加独立。拥有语音控制和两个有力胳膊的机器人，要特别设计为能够安全地处理脆弱的人类的需求，和我最初的设计相比，这还有很多的开发工作要做。
《联邦规章典籍》890.5050部分对“Daily Activity Assist Devices”（日常活动辅助性设备）的要求，将是必须克服的一个困难。我相信，这一点能够克服并且终将被克服。日本的Robear机器人是一个很好的开端，如图17所示，但是所有的照片展示的都是该机器人运送一名警觉的、健康的年轻人。老年人可能会处于昏睡中或者完全没有警觉，如果没有红白相间的吊索且机器人无法看到下面的“病人”，他们可能会从两个胳膊之间滑落。
图17 Robear举起了一位“病人”。注意，伸出的两只脚帮助固定住了机器人
在私人的家居环境中，搬运一个人可能并不是人类护理工要做的事情，但是，在护理场所确实需要这样。通常，当一个人想要保持独立性并且只有在跌倒并没有受伤的时候，或者是要从椅子、床或厕所离开的时候，才需要使用个人助理机器人。这样的一款机器人的其他任务包括接送物品或者提供已经准备好的餐食。
该机器人的用户应该有基本的操作技能，并且自身具备一定的力量。我建议对那些供老年人使用的机器人感兴趣的人，可以从图18所示的众多遥现机器人起步。
图18 遥现机器人使得能够和另一位远方的人通过移动通信联系
在这篇文章一开始，我介绍了可能用做个人助理以帮助老年人继续独立生活的一系列机器人，然后指出了它们都还不具备的功能。我只是想要强调，机器人设计者想要设计出供老年人使用的一款可行的家庭助理机器人所必须克服和将要克服的困难。
当50%的85岁以及85岁以上的老年人需要在日常活动中得到帮助的时候，创业企业、大学甚至是较大型的公司，都在寻找老年护理的未来。我相信，像Tandy Trower和其他富有天赋的机器人研究者这样的人，很快将会给出完美的设计解决方案。
Tom Carrorll 撰稿 李卓 译
一段时间以来，有很多文章写到在现代工厂中机器人如何改善工作条件。最近我读到了一篇恰恰持相反观点的评论。在《纽约时报》的在线时事通讯The Upshot中，Claire Cain Miller发表了一篇有趣的文章，题名为“机器人正在赢得美国工作机会比赛的证据”。这是我最近读过的许多文章中，第一篇表达机器人正在制造工作中取代人类观点的文章，文章中还提供了事实数据加以支持。
如果你思考过去50年中机器人领域所取得的进展，工厂中自动机器的实施原本应该将工人们从危险和枯燥的工作中解救出来，将其转移到更好更安全的工作岗位中。然而这不是本篇文章真正要讨论的。
下面，我将以工业机器人与制造业开篇，因为它是经济学家使用的一个衡量点。
自1961年，第一个工业版本机器人在特伦顿的新泽西州通用汽车模具铸造厂亮相伊始，我们确实在机器人设计和实现上取得了一些长足的进步。被命名为UNIversal autoMATION（通用自动化）的Unimation Unimate序列号#001（见图１）现在被收藏于福特博物馆。
“程序化的物品转移”设备（后来被称为“机器人”）曾经历了数十年成长的痛苦，一度铸造业仿佛是它唯一的应用，有450台Unimates被售出以完成这一特定任务。图2中，Unimation的首席执行官Joe Engelberger正在检查一台早期的Unimate，它使用了复杂并容易泄漏的液压装置作为致动器。这些装置后来被替换为清洁和高效的电动机。受益于这项更新的技术，汽车点焊在装配线上进行，机器人销售才迎来蓬勃发展。
图1 Joe Engelberger （系领结者）正在展示一台早期的Unimate
图2 Unimation背后的力量，Joe Engelberger正看着一台Unimate机器人复杂的液化装置
与用机器人取代半熟练的工人并将这些被取代的工人送去学习以培养他们成为一个机器人程序员的想象相左，员工们拿到了一张粉色解雇通知书。一家工厂的数百台机器人中，并不是每一台都需要配备专有的维修人员和程序员。只有少数被选定的工人可以“升级”到更高的位置。
图3卡通图画中的邪恶的红眼机器人显示了一些经济学家感受到的现代自动化和机器人的一个令人不安的发展方向。
图3 机器人正在取代一些低端的工作，但是将来会如何呢
从积极的一面来看，机器人在美国制造业中为人类创造了一些很棒的工作岗位，并且由于对熟练工人的竞争很激烈，公司为这些岗位提供了丰厚的薪水。
在James Carroll发表于Vision System Design的一篇文章中，专家们讨论了机器人对美国工作岗位的影响。在2017年的自动化会议上，A3（推进自动化协会）总裁Jeff Burnstein用一些有趣的统计启动了“在自动化时代工作”的论坛，这是这个集体对于如何看待工作机会和机器人之间问题的早期风向标。
根据Burnstein所述，美国在2010—2016年期间，“有超过136 748台新机器人出货，有894 000个新工作机会产生，并且失业率下跌5.1％”。他与Claire Cain Miller的意见差别很大。
Nikolaus Correll在另一篇文章中写到：“自2000年以来，美国已经失去了500万个制造业岗位，估计有240万个工作于1999—2011年转移到了其他地区的低工资劳动者手中。虽然自2008年经济危机以来，已经有超过100万个工作岗位回归，但净损失仍然破坏了数百万人以及他们家庭的生活。
“有些人指责机器人，其他人则归咎于全球化。事实上这些力量组合在一起，对制造业工作岗位造成了同样的伤害。以汽车工业为例，它们从国外进口了越来越多的零部件，而在美国自动化地完成了零部件的组装。”
图4的漫画比图3的漫画更加令人清醒，今天的大学学位可能并不足以让一个毕业生得到工作机会。
图4 一个古怪（但令人恐惧）的机器人未来视角
Correll继续说到，“在2014年，中国出口了更多的产品，并首次总价值超过美国。中国已经成为机器人最大的增长市场。中国了解其廉价劳动力带来的优势竞争力不会永久持续。在2015年，中国公司购买的工业机器人数量（68 000台）是美国同年数量（27 000台）的两倍多。”
中国不仅比美国购买了更多的机器人，而且开始制造自己的机器人，如图5所示。
图5 为美国制作产品的中国机器人
抛开当今机器人所有惊人的特点不谈，仅经济数字就让我不禁猜想，在机器人和人类之间，到底是谁真得赢得了就业竞赛。机器人和先进的计算机系统不止受雇于制造业，它们和我们一起工作于医院的各级医疗保健部门——不仅仅协助手术，而且真正执行手术、在大型医院中配送货物、清洁医院的地板，甚至用像IBM的沃森超级计算机一样的先进人工智能来协助医生诊断疾病。
私人住所受益于小型吸尘器机器人，如iRobot的Roomba或Neato的Botvac，甚至是机器人割草机。然而，由于它们较高的成本使得它们还没有特别普及。除了玩具机器人之外，这些确实是唯一显著地渗透进家庭环境的机器人。
当房主购买了Neato机器人之后，已经雇用的管家是否会失去工作呢？并没有。
有很多类别的机器人现在正在制造，并且每天都有新的品种成为现实。几十年来，工业机器人被放逐于工厂车间，并配以保护笼和监管人以防止意外的发生。在大多数情况下，工业机器人的制造业已经放弃了美国的海岸，但是其他机器人的新种类正在出现，用我们从来没有预见过的方式协助我们。
在不到一年前，我写了一篇题为“未来的机器人”的文章。我在其中讨论了各种机器人无人驾驶飞机：有些可以在紧急情况下帮助人类，有些可以在人类的家中帮助人类，有些可以帮助机器人地面运输工具发送货物。这些是当下的机器人。我没有涵盖工业和工业制造机器人部分。
当你思考这个问题时，没有一个作者可以准确地描写一个尚未发生的时代。他们只能通过参考当今的技术以及世界经济驱动力如何指导社会路径，来猜测什么将成为现实。谁能真正预测技术将如何演变，难道是机器人更少化？
回头看看，如图6所示为在1947年圣诞节前首次亮相的简陋晶体管。整个原型装置比当时的小型真空管更大，看起来像是一个小学生做出来的实验品。然而，它的3位发明家——John Bardeen、Walter Brattain和William Shockley——由于这个发明被授予1956年的诺贝尔物理学奖。我认为没有什么技术成就能比这个其貌不扬的装置给我们的社会进步带来的影响更重要了。
图6 第一个点接触晶体管
1958年，新聘的工程师Jack Kilby在德州仪器开发出如图7所示的第一款多晶体管集成电路；他也因此于2000年荣获诺贝尔物理学奖。对我来说，它看起来比第一个晶体管更粗糙，它更像是一个用胶水和电线制作的幼儿园项目。然而，这不起眼的晶体管与它数目众多的兄弟们一起集成于一个芯片上，像我们所知的那样改变了整个世界！
1965年，仙童半导体公司的Gordon Moore在撰写并发表于Electronic Magazine的一篇文章中预言：一个IC芯片上可以集成的晶体管数量，将在一年内增加两倍。其他人说将是18个月，还有一些人说是每两年。不管你从哪个角度来看，富有的慈善家Moore给予世界的，远不止是集成电路。
图7 Jack Kilby在德州仪器开发的“集成电路”
“摩尔定律”在当今依然成立，虽然有人说当今的10纳米进程正在走向更小的IC部件，并且将很快缩小到芯片上的单行原子之下。尽管如此，处理器、FPGA和今天的内存芯片已包含数十亿个晶体管。回到1958年，地球上能有人可以预测到集成电路的未来吗？
让我们看看对未来的另一则预言，它最终并没有变成很多人所期望的那样。回到1965年Moore提出他的预测的那个时期，核电领域的人正在期待核裂变发电厂和潜艇，并且深信核聚变将是未来。支持者认为它会更干净、自足，并且非常有效。然而，几十年过去了，该技术仍然没有完善。
“谁需要不用马拉的马车？马匹明明能很好地运送我们。”“你想像鸟儿一样在空气中飞行？你疯了。”“为什么要在你的客厅放一个盒子一样的东西来显示动态的图片？我们明明已经有剧院、杂志和报纸。”再比如“每个家庭都有一台计算机？”回到1943年，IBM的Thomas Watson表示：“我认为全世界的市场也许有5台计算机就饱和了。”
Bill Gates和Steve Jobs肯定不会同意，就像这两位梦想家创造的技术奇迹一样。
如今，我们有协作机器人（称为Cobots）与人类一起工作。图8所示的Rethink Robotics的Baxter机器人以及随后的Sawyer机器人被设计出来和人类一起工作，帮助人们打包装箱、上货卸货以及处理材料。这些类型的机器人已经成为各种类型行业的中流砥柱——不仅仅在工业和制造业。图9中的场景显示了一个简单的Baxter机器人在一个监管人旁边做简单的挑选和放置操作。
图8 Rethink Robotic的Baxter和Sawyer机器人
图9 Rethink Robotics的Baxter机器人
我们接下来讨论iRobot Roomba——第一个并仍然是最流行的家用吸尘机器人。Joe Jones于1988年萌生想法，在经历一段漫长的梦想、孵化和试错时期之后，第一个Roomba于2002年面世。图10所示的“灰尘小狗”原型是第一批产品制造之前的最终步骤之一。截至2017年，有1 500多万台的Roombas已经在世界各地售出，所以可以说，它的成功是有目共睹的。
iRobot的第一个真空吸尘器系列使用了被许多人称为“放牧在牧场的绵羊”的方法来覆盖清扫区域。早期曾出现过一些问题并有退货，但是后来设计得到了显著改进。
2008年，董事会主席Helen Greiner给了我一个Roomba测试，让我为SERVO写一篇测评文章。我很快发现了一个问题，其中的一个刷子会和变速箱缠绕。它会频繁地引起“清理Roomba刷子”的呼叫，即使它们刚刚被拿出来清理过。
我决定在Roomba上放置两个万用表：一个用于监测电流消耗，另一个用于监测电池电压。
电流开始上升，电压下降了一些。打开Roomba，我注意到刷子变得非常紧并且压着塑料变速箱使它变形了。如图11所示。我轻松地将头发从刷子的轴衬部分拉出，但是随后我注意到由于轴衬的摩擦，有少数头发被卷到钢轴上形成了一个微小的硬化的锥形。使用XactoTM刀切断这少量的头发后这个问题暂时得到了解决。
图10 iRobot的“灰尘小狗”，是Roomba的原型
图11 Roomba的轴衬和钢轴被头发缠绕
我找到一个小小的内部星形锁固垫圈，它适用于钢轴并且能切断任何试图缠绕到钢轴的头发。我把我的测试结果转发给了iRobot的工程人员。几年后，我注意到iRobot已经改变刷子的轴衬设计，使用了如图12所示的新的绿色塑料套管，它紧紧地包围着轴衬组件。
图12 Roomba的刷子轴承被塑料套管覆盖——比我的垫圈快速修复要更好
让我们看看现代社会可行的机器人路径。Bill Gates、Steve Jobs、Jeff Bezos、Elon Musk等现代成功企业家并不总是在他们的事业之初就有最好的想法。他们所拥有的是驱动力和领导力。
回想一下这句话：“天才就是95％的汗水和5％的灵感。”你可能有一个奇妙的想法，但如果你对此什么都不做，你会看到其他人与你擦肩而过，将类似的想法完善成为一个奇妙的产品。我相信一个人成功的核心是他的驱动力而不是技术专长。
Jeff Bezos从一个网上书店的绝妙主意开始，但是并没有止步于创造亚马逊的奇迹，而是现在开始建造进入太空的火箭。从Zip2和PayPal的成功起步，Elon Musk继续成立了SpaceX和特斯拉，这并不是因为他是一名“火箭科学家”或者“汽车制造商”，而是因为他有一个梦想以及使梦想能够实现的驱动力。
Helen Greiner、Colin Angle和Rodney Brooks（之前提到的Rethink Robotics的创始人）创建了iRobot。在Roomba系列成为现象级成功之前，公司挣扎奋斗了数年。
真正的企业家认识到成功很少能一蹴而就。他们不会在出现第一个失败的迹象时就轻易退出。
我不会尝试将你直接引领到世界级的机器人设计中，因为变化和设计标准的数目非常多。然而，我想要列举一些我观察到的似乎通往成功的路径，以及似乎会陷入泥潭的其他方向。我会从侧面描述计算机控制或者远程控制机制，并坚持我们所有人对机器人的共识：人形的风格或者至少具有操纵臂和金属爪的自动机。
最近的机器人已经包括一些远程呈现版本，允许某人在别的地方“出席”，例如在一个商务会议中或者是医生向在另一个地方的病人问诊。这些机器人采取了许多不同的形式，例如两轮自动平衡机器人或者更安全的多轮机器人。它们满足了一些人需要在远程场合虚拟出场的需求。
这些类型的机器人的潜在买家已经确定，他们可以使用Skype和笔记本上的一个网络摄像头完成同样的事情。一个移动机器人平台的“炫酷”效应，是否可以战胜网络摄像头或笔记本配置，甚至是智能手机的简洁性呢？相对于使用已开发的产品而言，建立移动机器人平台始终是更昂贵的选择。
这是开发人员必须考虑的潜在因素。当竞争者拥有相同的基本产品特性时，他们的设计是否能脱颖而出？潜在客户是否总是会选择一个更简单、更便宜的解决方案呢？
尽管自Unimate机器人时代起，我们已经取得了长足的进步，但在所需的技术上我们仍然存在一些非常重要的问题。当然，内存已经从早期工业机器人的磁芯存储器和磁鼓存储器种类提升到亿字节内存和强大的处理器，但传感器、机器人可用的人工智能和动力供应系统仍需要革新。
当思考先进的机器人技术时，移动机器人的动力系统是首先跳入我脑海的事情之一。我们已经从液态铅酸电池和镍镉电池的技术中慢慢提升到了密封铅酸电池（SLA）。SLA电池仍然非常重，而镍镉电池在充电前没有完全放电时会存在令人困扰的记忆效应。因此，我们采用了镍金属氢化物电池技术，这些电池更轻，但是自放电率仍然令人烦恼。
随后我们迎来了锂离子电池系列。这些电池都很轻巧，而且扁平聚合物版本可以置入手机、平板电脑和笔记本电脑，但它们可能会着火并把你的机器人烧成一堆灰烬。圆柱形版本也仍然有着火问题。它虽然拥有很棒的功率密度，但仍然不足以支持更大的移动机器人——尤其是那些有胳膊或双足的版本。机器人设计师们该怎么办呢？
采用无刷技术和稀土永磁体的电动机更高效，它是我们迈出的正确一步，但实际的输出动力仍然需要大量的电力输入。一个更高效的设计样例可能是增加滚动机器人平台的轮子直径以减少它在地毯上运行时遇到的阻力。
虽然走路机器人看起来是某些特定应用的理想解决方案（如搜索和救援场景），但DARPA DRC比赛显示了机器人要模仿人类的平衡和灵活性有多么困难。我们“碳单元”生物可以轻松地躲开一堆木板和石头，而耗资百万美元的双足机器人却直挺挺地脸冲着地面倒下。我们在我们的作品中填入了多个多轴MEMS陀螺仪和加速计，但很快发现这些机器人在不平衡的情况下不能很快做出反应防止跌倒。
传感器是机器人和外界的连接，就像我们的眼睛、耳朵、鼻子和皮肤是我们的关键感官一样。
一个精良的LIDAR系统（如SICK系统），价格从每片高达75 000美元跌至仅仅不到100美元，这不仅有益于机器人导航，而且对自动驾驶汽车也大有裨益。这些“眼睛”与专用摄像机、声呐、雷达和语音识别系统结合在一起，可以形成功能非常强大的机器人。
图13所示的LIDAR系统绘制图显示了校准激光束是如何投射到一块旋转了45°的镜子上，从而在头部旋转时描绘出远处物体的。反射光束随后返回到同一面镜子上以发送回接收器。图14显示了LIDAR看到的一幅典型场景。
图13 Renishaw的LIDAR绘制
图14 LIDAR街景的图像
给LIDAR配备“智能”摄像机、GPS甚至是雷达和超声距离传感器，可以产生令人惊艳的自动驾驶汽车、军事机器人、无人航空交通工具，也可以产生适合家庭环境的极棒的机器人。
但是（并且是一个语气很强烈的但是），这些系统有时候会产生致命的失败。一年前，一辆特斯拉自动驾驶汽车遭遇失败，因为它的相机将一辆大卡车的白色侧面误判为白色的天空，随后这辆特斯拉全速钻到了卡车的底部。
这次事故并不是自动驾驶汽车造成的唯一事故。其他制造商也有类似的事故，虽然不像这次一样致命。将人工智能整合至自动驾驶汽车和先进机器人的呼声愈演愈烈。有人觉得AI会造成人类的毁灭，它会超越原始的编程指令“自主”地开发出更强大的能力。
也有专家认为AI最终能够模拟出一个典型的计算机和所有传感器都不能匹敌的独特的“人性”。
除非拥有这些能力，否则研究人员不会认为机器人可以在所有行动和任务中取代人类。
自动汽车可能会看到一个1.8m高的图像，并将其识别为静止的人类。如果这幅图像以24km/h的速度运动，车子会认为这是一个骑自行车的人。图像以96km/h的速度行驶，车子会认为这可能是摩托车。自动驾驶汽车需要能够处理这其中的每一个不同的交通场景。
让我们考虑家庭中的一个场景，私人助理机器人进入房间并“看见”一个大约5m外的物体。它告诉自己这可能是它年长的主人。突然间，物体分成两部分，较小的物体掉到地板上并迅速离开房间。 “那一定是我主人的猫”，它“想到”。
突然间，这个图像似乎越来越大并分成两个图像——一个更宽更扁，而另一个更高，并且后者在整个房间中移动。“我的主人肯定是从椅子上站了起来，走到了我的右侧2m远的地方”。
看到一个物体，并知道它可能是什么。我们只能希望我们的创造物能够发展到这样的水平，以便它们可以在我们称之为生活的绵绵不绝的混沌、随机性和遍布的问题中运作。对于一个机器人来说，生活看起来可能会很荒谬。而对我们“碳单元”生物来说，这就是日常。
机器人的未来是什么？没有人能给出确切的答案。我希望这篇文章已经给你一些启发，能让你意识到：在机器人开发中，“天空才是极限”。我所提到的必需的进步只是一些要建立更好、更强的机器人时必须跨越的绊脚石。
自动驾驶汽车将会习惯我们人类制造的混乱，并能够平稳、顺畅地在城市周围和乡间道路上行驶。机器人将能够在战场上、空中、海上和海底以及我们的家中代替我们。
我们将会有双足类人型机器人参加并赢得马拉松比赛，甚至是铁人三项比赛。嘿，几年之后，机器人甚至可以参与“与明星共舞”节目。
我唯一能绝对保证的事情就是：我们终将拥有一些梦幻般的机器人——就在不久的将来！
Tom Carrorll 撰文 李卓 译
在过去的几年中，我曾经写过几篇关于设计机器人的文章。我曾经建议机器人创建者“放手去做”，并在项目进展过程中搜集所需的部分。在另一篇文章中，我讨论了拥有一些机械和微控制器知识的业余机器人创建者如何开始设计过程。在这篇文章中，我想探讨对一个拥有伟大梦想以及足够驱动力使其梦想成真的人而言，怎样才能设计和生产成功的机器人产品。这个过程比业余爱好者的快速方案更深入，并且包含一个详细、彻底的设计策略。
我确信读者中有些人对于设计和制造专业的机器人已经有了认真的想法：机器人将填补尚未满足的需求。多年来你已经创建了几个机器人磨练你的经验。你觉得你已经掌握了大部分所需的技能，并且了解在成立一家创业公司伊始，谁可以加入你的团队。
你已经坐下来详细拟定想要你的机器人做什么——远在你于纸上或者是CAD程序上勾画出第一张草图（如图1中的VEX机器人草图）之前。（VEX使用了这张特别的绘图来说明如何向科学、技术、工程和数学（STEM）班的孩子们教授工程设计过程。后面我将会讨论我们本地的学校采用的STEM学习过程如何恰巧与VEX关联）
图1 男孩生活VEX机器人草图
你也探索过目前只能手动或者由烦琐的机械过程执行的独特需求。也许现有的解决方案没有充分满足需求，或者由于我们环境或社会要求的变化产生了一些特别的需求。
你现在准备好了让你的梦想成为现实。
在把你的蓝图铸造成金属成品之前，你需要检查复杂性和成本。可能你已经观察到一个特定的机器人解决方案并没有真正完成为它所设计的任务。例如，有很多展示家庭小工具的广告号称“如电视所见”，刺激买家必须拥有它们；然而在使用几次之后，买家会问自己“为什么我当初会买这个东西”。
考虑到这一点，我想先介绍两款昂贵的机器人产品，然而它们只能执行对人类而言相当简单的任务。
在2017年1月的CES（国际电子消费产品展）中，我看到一些有趣的家用机器人，如图2所示的Laundroid，它由东京的Seven Dreamer制造。注意，机器人右侧LCD显示屏上的数字显示了一个人一生中用于折叠衣服的时间是9 000h。
图2 Laundroid机器人折叠清洗后的衣物
这台体积堪比一台大冰箱、位于衣橱内部的机器人需要至少10min时间，才能挑选出来一件衣服，确定类型并折叠它。某些类型的服装则需要更长的时间。传言说一台的价格高达数千美元，我不禁好奇，谁会想要这样的机器在家中的某个黑暗角落花费整个晚上折叠一堆衣物。
与Laundroid相比，图3所示的FoldiMate衣服折叠机要小得多并且可能便宜不少。FoldiMate是旧金山一家初创公司制造的一个可以折叠衣服的机器人。据称它可以用10秒或更少的时间叠好衬衫。折叠程序后，它也可以蒸汽熨烫，并从两个可用选项中按照用户的选择喷洒香水。2017年将它推向市场时，它的定价约700～850美元。
图3 FoldiMate叠衣机器人
图4和图5显示了一个人从烘干机中取出衣物，然后将其夹在FoldiMate前面的夹子上。手动夹衣这一步可能FoldiMate要比Laundroid快得多。虽然不能适用于所有家庭，但FoldiMate应该比Laundroid更适合普通家庭。
我曾见过我的妻子在10s内折好一件T恤，并且在10min时间内处理好整堆衣物（尽管排序和配对我在Costco购买的袜子确实需要更长时间）。
我确定：挑选一件衬衫，把它拉平，然后夹到FoldiMate的架子上，将比一个普通人折好单件衣物需要的时间更长。
图4 从烘干机中取衣物到FoldiMate
图5 用户把烘干的衣物夹到FoldiMate上
那么，为什么有人要花费数千美元购买一个大冰箱大小的机器人去做相同的杂务呢？在我看来，即使是有很多孩子并且孩子们参与很多体育和活动的大家庭，也并不需要这样的一个折叠衣物机器人。
你可能已经在互联网或新闻网站上浏览并发现了一些与衣服折叠机器人类似，但你会觉得并没有太大必要或者会使预期使用者产生不愉快的体验的产品。你看过一些机器人的设计，已经发现创作者所选择的战略和平台无法使之成为一个成功的设备。也许这就将是你可以选择去创建一个能满足真正需求的可市场化的机器人的地方。
比方说，你已经为你的产品勘察过不同的市场。你已经检视过过去的工业、商业和医疗运用，并正在着手调查个人家用类别。你已经注意到家庭消费者可能像任何工业、军用或商业买家一样需求旺盛。
对个人家用市场进行一些研究之后，你可能已经注意到一个畅销的机器人不能太贵。你也意识到，虽然一个并不昂贵的产品单位利润值较低，但是如果销售额数以百万计，那么也是非常有利可图的。iRobot是成功执行这一战略的案例之一。他们首先调查了用于商场、办公楼等地的工业真空吸尘器，这些吸尘器的设计非常复杂并且生产成本昂贵。
他们明智地决定切换到家用真空吸尘器机器人市场，结果Roomba系列产品取得了巨大的成功，售出销量超过1 500万台。他们从成功的军用机器人系列的几千台销售量中取得的利润，无法与较廉价的家用机器人吸尘器取得的数百万美元的利润相比。（稍后我会更深入地探讨iRobot的形成和发展。）
这里我想偏题片刻，讨论一下我在图1中提到的非常重要的工程设计过程。VEX Robotics是最成功地向学校和个人提供STEM教育工具包和材料的公司之一。虽然许多VEX工具包是专门为从小学一直到高中学生而设计的，但许多这些工具包都被专业人员用来进行机电和机器人原型设计。（请前往VEX的官方网站了解有关他们产品线的更多信息。）
多年来，我很享受作为学龄儿童以及在我们本地的里奇菲尔德中学做导师的时光。在我加入之前，老师们和STEM教育工作者就选择了VEX工具包，VEX工具包如图6中堆放的盒子所示。就这样，我们开始了和VEX机器人工具包一起学习的第一年，我给了学生一定的自由度让他们去开发自己想要的机器人，去创建自己想创建的机器人。
图6 里奇菲尔德中学STEM班级使用的VEX机器人工具包的盒子
图7中的3名学生正在研究一个竞赛机器人，比赛的目标是检测、接近他们的对手并且将他们推撞出圈外。我之前曾创建了一个VEX ClawBot（左边）以在一些机器人俱乐部会议上进行展示，并且我们用它来测试自动操作程序。图8显示的另一名学生正在运行他开发的一个程序。
随着机器人开发的进展，我引入了工程设计过程的使用。在对它们的设计进行了一番更深入的思考之后，我们随后模仿在火星上的“好奇”号漫游者开发了一个更大的六轮摇臂车漫游者。我们在这个机器人上使用了由ServoCity和他们的Actobotics部门制造的更大的横梁和支架。这些结构化组件、轴承、轴杆和齿轮电动机使得更大号的76.2cm高的漫游者的创建成为可能。
图7 里奇菲尔德中学的3名学生正在组装一个VEX比赛机器人
图8 里奇菲尔德中学的学生正在VEX ClawBot上测试自己的程序
学生们接着参加了乐高在世界各地举办的广受欢迎的头脑风暴比赛。我想灌输给学生的最重要的事情之一是：要采用良好的工程设计过程来规划开发过程——无论是用乐高结构化的设计，还是用VEX和Actobotics的试错设计。
不幸的是，由于在进行下一步设计之前学生需要了解的知识实在太多，大型漫游者的工作陷入了困境。但它仍然在进步，尽管进度非常缓慢。
VEX有非常好的设计过程，因本文篇幅所限，我已经将其进行了压缩，并改变了一些措辞。它主要面向教育工作者和学生，但是由于它是为STEM项目设计的，因此同样也适用于成年机器人设计者。“确定需求、调查研究、对研究结果头脑风暴，以及设计、测试和评估最佳的解决方案”是其中的关键概念。
遵循工程设计过程是明智的。这个过程包含以下步骤。
大多数VEX机器人是为教学和比赛创建，我们会提供给设计者解决一项问题的明确目标或者得分点。作为未来机器人产品的开发者，你可能不会有通往未来客户问题的清晰路径。你必须找到并确定这条道路。无论是什么项目，你都需要彻底了解项目的范围，并且必须阐明该项目的影响。成本、复杂性和技术需求可能会使任何很好的项目陷入困境。
很多时候，设计师和工程师都不会独自一人空想出一个概念，而是被来自顾客、社会或者环境所提出的问题所轰炸。没有这个需求的明确定义，工程设计过程就无法开始。这是设计和生产可市场化机器人的重要步骤。
通常情况下，“问题”是阻止某个特定需求得到满足的主要障碍。作为一名机器人产品的开发者，你可以观察市场上的没能满足特定需求的机器人。
一个问题必须被准确而真实地定义，才能开始解决问题的过程。若非如此，不仅会浪费时间和金钱，而且原来的问题也会继续存在而没有解决办法。在开发未来产品时，考虑到这一点尤其重要。以下是一个示例方法。
（1）清楚地了解问题的参数。
（2）列出目标并按重要性排列。
（3）很多时候，机器人不能解决一个问题展现出来的所有方面。
（4）重要的是确定优先级，设计一个机器人去解决大多数问题，并且能对其中的一些问题进行很好的处理。
（5）让你的机器人执行有用的任务或功能，使你的设计脱颖而出。
研究可以是相对独立的个人探索或动态小组的活动。研究必须集中精力，纳入新的想法并对相似的旧想法进行深入探索。有时候，旧想法是最好的。
你是否曾听过“不要重新发明轮子”？失败的旧想法有时候是金矿，一个想法也许只是因为缺乏现在可能已经存在的新技术而失败。
例如，早期的工业机器人很难售出，因为它们使用的液压致动器容易泄漏并且难以维护。液压缸致动器可以施加巨大的线性力，但需要液压泵和机油。这对地面移动设备非常有用，对机器人则很不友好。几乎所有近期的机器人设计都使用电动机驱动。
以下是一些额外的想法。
（1）探索解决相同和类似问题的其他解决方案。
（2）仔细观察机器人需要执行的环境。
（3）仔细分析你的项目和（或）比赛的限制。
没有想法是不好的想法。重要的是要考虑一个问题所有的解决方法。一个在开始时似乎不可行或不合理的方法到后来可能是制胜之路。并没有太多的项目能把第一次尝试或者当时的最好想法贯彻到底。最终的项目通常包括一系列想法，而其中一些曾经被认为风险太大、代价高昂或者完全疯狂。
仔细倾听你的队友的意见和想法。在小组谈话中提出的每一个想法都有可取之处。
解决方案必须按照它们的长处和短处分组。这种活动在群组中能更好地完成。头脑风暴鼓励从不同层次的经验以及问题的不同解决方案中得到输入最大化。你可以按照其价值和可能的用途对替代解决方案进行分析和分类。
在将这些想法提炼到可管理的数量之后，你必须对这些想法进行详细分析，以评估使用各个解决方案取得成功的可能性和成本。更大的因素，例如常识和本能，在这里将会起很大的作用。如果它看起来不太对劲，就不要这么做！
对于一个喜欢自己设计的设计者而言，这将是最困难的事情之一：停下来，从一个全新的想法和方向重新开始。
福特的Edsel（如图9所示，曾被寄予希望成为“未来的汽车”）和“新可乐”是尝试销售一些开始就不对的东西的典型案例。“如果它没有坏，就不要修理它”。
图9 福特Edsel，未来之车。然而它并不是
当进行头脑风暴时，应该：
（1）提出至少3种设计方案，并对其中的每一项进行评估；
（2）检视这个机器人设计敲定的部件的数量。足够吗？这些部件是否能一起工作？设计能否简化？
产品的设计阶段可能是整个过程中最具挑战性的。一旦这个想法经过充分讨论并且方向已经确定要改变，那么就是坐下来弄清楚如何实现它的时候了。好的设计者愿意在进行艰难的决策时保持灵活性，并愿意为了设计的实用性和可能性做一定的折中和省略。
第一步是像图1一样开始画产品草图，以把想法落实到纸面。用手勾画草图或详细绘制草图能够让你推敲你的创新的另一面。要将想法转化成CAD图纸和模型，精确且完整的草图非常重要。
这个阶段也允许你在计算机上做产品的虚拟原型或者测试。在你建造出真实世界的模型之前，你可以检测出潜在的并且有时代价高昂的设计缺陷。用一个3D打印机制作一个模型是进一步预想你未来产品的绝佳方法。
模型是进行测试和评估的产品的代表，即使电脑可以用CAD渲染达到相同的目的，但这个过程仍然很有价值。计算机唯一无法做的事情就是提供一个真正的产品来评估。在模型完成评估后，项目可以进入原型阶段。
了解一个设计是否能在现实世界条件下工作的最佳方式，就是建立一个实际的工作原型。原型必须是最终设计的精确的工作模型。原型将被从成本、美学、耐用性、制造简单度几个方面考量评估，并符合最终的设计标准。
如果最初的机器人设计和原型没有完全解决问题、没有满足详细设计、与设计参数不符，或不能控制在可接受的成本内，设计师需要回到最初的画板（或计算机）前。工程设计过程有一个环路可回到设计，以进行改进或重新设计。有时与花钱重新开发一个几乎完成的产品相比，采用一个稍逊色的设计更加简单并且成本更低。不幸的是，对于机器人来说，在最初的设计和最终产品之间，重新设计往往会发生很多次。
构建过程是一个漫长并且复杂的进程。它必须考虑到材料、工序、制造限制和成本。
对于一个机器人的设计和生产而言，团队必须调查和选择许多不同的考虑因素。公司要向工厂和基础设施投入大量资金以构建他们的设计，所以越有效地处理设计，构建的结果就越好。一旦构建过程完成，公司就可以通过营销和销售产品来获得回报。
在深入钻研一家蹒跚起步的机器人公司的工程设计方法之前，我想先讲一点，一名工程师与一名基础研究科学家解决项目问题的方式有何不同。许多公司雇用了有才华的科学家，但最终他们在产品开发上采用了不同的方式，从而与工程师们的想法相抵触。
注意图10中的两个图表。两个过程基本上都定义了任务或者问题并进行了基础研究，以同样的方式开始。在收集信息的过程中他们的处理方式开始有所不同，科学家们通过测试或一系列的测试，而工程师则通过头脑风暴来寻找开始的最佳路径。
科学家可能会根据测试是否通过来判断他们是否在正确的路径上，而工程师则通过开发一个原型并以此为依据。这些测试的反馈随后以不同的方式反馈给工程师，幸运的话，结果能引领一个成功的产品。
图10 科学方法与工程方法
我在一开始就提到过我将讨论Roomba吸尘器机器人。Roomba在1989年只是早期开发者的一个想法，今天已成为热门产品。
麻省理工学院人工智能实验室的研究员Joe Jones，看着他远远称不上整洁的公寓，决定要创造一个机器人吸尘器。他的第一次尝试是如图11所示的“地毯战士”。“它马马虎虎可以工作”，他说。
图11 Joe Jones于1989年在麻省理工学院人工智能实验室开发的“地毯战士”（照片由Joe Jones提供）
在简单的微控制器产生之前，他的控制器和几个缓冲器开关一起，使得他的创作能够进行一些清洁地毯工作。这个机器人生产出来后没有派上用场，几年后他被解雇了。
之后他在制造大型安全机器人的Denning移动机器人公司找到了一份工作。他在该公司遇到了另一位工程师，两人一起合作创造了一个使用Bissell地毯清扫部件的大型商用机器人。该机器人工作得很好，但随后两人又都被解雇了。
后来Denning业绩缓慢下降直至破产。我曾经在机器人国际大会看过Denning公司的一些安全机器人，它们确实令人印象深刻。
Jones接着于1991年在IS机器人公司找到了另一份工作，后来该公司更名为iRobot。IS机器人/iRobot是由另外3名麻省理工学院的人（Rodney Brooks、Colin Angle和Helen Greiner）创立的，他们是麻省理工学院的人工智能和机器人实验室的教授或学生。
Jones向iRobot的创始人提及了他的家用清洁机器人。他们喜欢这个主意，但是没有太多资金。因此，他们与Bissell接洽，希望能成为合作伙伴。
那时，Bissell以30美元左右的价格出售简易地毯清洁器，他们没有预见到机器人地毯清洁器的前景，因此拒绝了合作要求。
iRobot已经研究过设计大型商用真空吸尘器，并于1996年与SC Johnson合作开发了一款商业地板清洁机器人。该机器人可以在商场关门后工作。
他们设计出了一个不错的可以自己导航的清洁平台，以及另一个可以通过它的传感器自动移动的平台——但还没有一个平台可以同时执行3项功能。一段时间后，SC Johnson决定不再投资机器人项目，因此iRobot开始把注意力转换到更小型的机器人。
图12所示的Scamp（也被称为灰尘小狗）是Jones和其他工程师在1999年与SC Johnson合作设计创造的一个项目，后者已经决定将小型家用吸尘器清洁机器人作为方向。它在两个星期内以1万美元的预算建成，是iRobot的第一个Roomba。
图12 Joe Jones的iRobot Scamp（照片来自Joe Jones）
进入新千年之后，iRobot已经销售了许多不同类型的机器人，创造了数十亿美元利润。Brooks教授离开并成立了自己的公司（ReThink Robotics），Greiner离开后组建了CyPhyWorks公司。
iRobot拥有一系列产品，从名为My Real Baby的自主娃娃（见图13）到一些军用机器人。例如PackBot，它既是一个沟渠清洁机器人，又是一个游泳池清洁机器人以及硬木地板清洁机器人。很少有公司可以设计、生产和销售如此广泛的各种机器人产品。
图13 iRobot的一个早期产品My Real Baby
2017年第一季度，iRobot出货了超过704 000台Roomba，它们的总销售额增加到接近1 600万美元。iRobot艰难的盈利之路并非易事。
世界上第一家工业机器人公司Unimation也有类似的奋斗历程。两家公司都采用了合理的工程设计实践，坚持了自己生产出可行的机器人产品的梦想和想法。
工程设计过程是开发任何产品（机器人或其他）的过程，并且是项目成功的关键。未来的机器人产品开发人员应该尽可能地坚持工程标准，对这一点再强调也不为过。
在我以往的文章中，我已经从许多方面和角度探讨了这种方法，以帮助未来的机器人制造商，使他们能在将一个好主意变成伟大的机器人产品的艰难过程中得到一些帮助。
无论这个想法最终怎么体现，是成为一个竞赛机器人，还是一个让你的朋友和家人惊叹的娱乐机器人，亦或是作为一个产品来销售，我希望你们所有人都能取得巨大的成功。
