乒乓球机器人能引领人机协作的未来吗？

• 为了探索人机协作的未来，日本制造商欧姆龙（OMRON）发明了一个名叫FORPHEUS的乒乓球机器人。
• 欧姆龙将工业自动化技术、衍生式设计和人类球员数据应用于机器人，并在每次迭代中对其进行改进。
• FORPHEUS项目还推动了该公司的人工智能研究，这可能会对现实世界中的家庭和工厂产生影响。

在人们的脑海中，人类和机器并非总是和睦相处的。但现在，科幻小说的情节正在现实世界中上演。机器人专家不断地研究人机互动领域的挑战，这很有必要，因为人工智能正在极大地改变人们的工作和生活方式。这种探索可能很艰难，但也可能很有趣。

日本欧姆龙（OMRON）公司是一家为工厂自动化和医疗健康等行业提供传感和控制机器的制造商，其开发的一款产品既富有乐趣、也具有深远意义。2013年，在该公司庆祝成立80周年之际，其在中国的个展上推出了乒乓球机器人FORPHEUS，一举成为人机协作领域的佼佼者。

欧姆龙采用工业自动化来制造设备，其产品远销日本和全球120个国家或地区。欧姆龙技术和知识产权总部负责开发FORPHEUS的Masamune Nakayama说：“欧姆龙的核心技术是‘传感与控制+思考’。我们用这些技术开发了会打乒乓球的机器人。乒乓球是一项在全世界，尤其是在中国都很受欢迎的运动。通过这种方式，可以展现出我们对人机关系的未来愿景。”

Nakayama指出，“传感”是指机器人探测乒乓球及打球者位置和运动的能力，“控制”则是通过控制技术让机器人能精确地移动，而“+思考”则采用来自人类思维过程的数据。“有些人说打乒乓球就像是‘一边跑100米短跑一边下棋’，”Nakayama说，“我们想知道顶级球员和教练在比赛中是怎么思考的，然后通过‘+思考’技术把这些信息整合到机器人中。”

最初，欧姆龙面临的主要挑战是要让机器人能看到球、预测球的去向以及挥拍击球所需的基本技术。接下来，研发团队又开发了一些方法来测量打球者的位置和球的运动，预测球的路径，并确定击球的最佳接触点——所有这些方法都非常精确。后来欧姆龙又开发了第二代机器人，它能向打球者显示它收集到的信息，从而让双方的交手能更容易进行下去。2016年，吉尼斯世界纪录认证其为 “第一个乒乓球机器人教练”。

人工智能和机械的改进

Nakayama说，引进人工智能是推动机器人进一步发展的转折点。 “最初，我们研发的目标是制造一个乒乓球打得很好的机器人。但到了第三代则提升到新的层次，即‘促进人机和谐，以激发人类的能力和可能性’。我们开始开发新技术，让机器人能看到球和球员的运动，然后根据球员的水平来对打。”

另外，其在2019年CES消费电子展上推出的第五代乒乓球机器人则体现了机械方面的进步。Nakayama说：“通过改进软件，机器人的乒乓球技术显著提高。但是平行链路结构的机械臂运动范围有限，无论算法多么智能，在某些情况下，机器人根本无法接到球。为解决这个问题，我们采用一种与人类肘部相似的机械，极大地提高了机器人回击球的能力。”

很快，这种经过高度改良的FORPHEUS机器人在各大视频共享平台上广为流传，也在各种展会上受到追捧，人们争先恐后地要与它一试身手。随着机器人的技能不断提升，团队又面临新的挑战。Nakayama说：“球拍固定在连接到平行连接臂的碳轴末端，但打了一天球后，轴就开始磨损，最终就会断裂。”

两者兼顾

为了解决这些问题，欧姆龙与Kyoso科技公司的Hisashi Kataoka合作研发新型机械臂，取得重大突破，轴的强度更强，长度增加了10厘米，但重量仍与以前一样。“我们设计了最新的第六代机械臂，”Kataoka说，“经过改进，这种机械臂末端的重量大大减轻。我们已用尽各种常用方法来减轻重量，但传统的方法很难在不增加重量的情况下进一步加长手臂或改变形状。”

这一合作项目始于2020年1月，那时候Kyoso科技公司正在考虑提供衍生式设计的服务，因此正是两家公司合作的良机。Nakayama说：“我们在研发FORPHEUS时一直保持开放创新的态度，与多个大学和公司建立新关系，进行合作研究、开发技术。”

Kataoka说，为研发这一机械臂，Kyoso科技公司与MAKErs SENSE的Mitsuo Nakatani以及Applied Technology、Nisso Kogyo、EOS Japan等公司合作，确定最终产品的方向。他们用欧特克Fusion 360进行建模和衍生式设计，用Inventor Nastran进行模拟，用Netfabb进行3D打印和增材制造数据的预处理。

“当我们看到衍生式设计的实际结果时，至少可以说，是很惊讶的，”Kataoka说，“那种形状我从没看到过，或者说我内心直觉不认为这是一个‘好’的设计。一开始我对它是强烈反感的。但我不能仅仅根据自己的经验来否定它——否则我们就不可能采用新技术了。”

Kataoka说，在如何减轻重量方面，目前的设计方法和工艺实践都很有限。“衍生式设计竟然那么容易地超越我的期望，实在是太神奇了，”他说，“日本的增材制造尚未真正起飞，因此我认为，采用钛晶格状结构既是一种对我们的挑战，也将使我们领先于市场。我认为，我们取得成功的重要因素是与高度专业化的公司合作。”

Nakayama同样对这个设计结果印象深刻。“我一直在屏幕上看着衍生式设计的模拟过程，但是当我手里拿到真实的物体时，还是很难以置信，”他说，“起初，我不敢相信这个精致的物体是否坚固耐用，但安装到机器人上就没有任何问题。我的一位领导甚至说它就像一件艺术品。”

未来的机器人

Nakayama在大学里学的是机械工程和材料加工，所以很了解衍生式设计的有机结构如何能创造更强大、更新颖的设计。“但我感觉这项技术似乎仍是一个遥远的梦想，”他说，“现在，它已经真实地存在于我面前了，能用在我做的机器人中了，它打球的水平前所未有地提高了。我觉得我正在见证科技的进步，科技让我们生活的世界变得越来越有趣。”

在EOS公司的支持下，新机械臂使用EOS M400-4金属增材制造系统中的钛合金制造，已安装在机器人上进行了测试，。

这个项目也标志着欧姆龙团队在更广泛的人工智能相关研究上取得了进展。2019年12月，该团队宣布与Square Enix公司合作开展一项研究，将欧姆龙的能观察人类情感和能力的人工智能，与Square Enix公司电子游戏中随游戏进展而引发情感反应的人工智能相结合，从而研发出个性化的、激励性的训练方式。欧姆龙还希望将此技术应用于各个行业，以实现人与机器之间的和谐互动。例如，让工厂的机器能感知工人的技能水平和表情，进而提供额外的帮助。通过这样的方式和其他类似方式，就可以更好地利用人工智能。

Nakayama说：“将来，当增材制造和衍生式设计变得司空见惯时，我认为机器人的外观会从现在各种奇形怪状的金属物体演变到更加栩栩如生的生物形象。我觉得机器人的外观很重要，要能让人感觉自然而然、易于和谐相处。”