東芝創(chuàng)業(yè)者之一，人稱“機關(guān)儀右衛(wèi)門”的田中久重，因在日本江戶時代（1603年-1868年）制作出“射箭童子”等可進行高難度動作的機器人而聞名于世。傳承創(chuàng)業(yè)者的“智”造DNA，長久以來，東芝一直致力于機器人的開發(fā)事業(yè)。

在“機關(guān)儀右衛(wèi)門”時代，機器人的存在意義僅在于技術(shù)本身，而現(xiàn)在的機器人開發(fā)事業(yè)主要是為了滿足社會需求。如今，21世紀的第一個20年即將過去，東芝究竟研究出了何種“機關(guān)”呢，這些“機關(guān)”又能滿足哪些社會需求呢？

一、機器人高度智能化，創(chuàng)造未來無限可能

隨著社會的不斷發(fā)展，勞動人口減少導(dǎo)致的勞動力嚴重不足已成為當前社會的一大難題。勞動力不足的問題遠遠要比我們想象的嚴重，它對各行各業(yè)都有影響，特別是物流行業(yè)。近年來，一個沖擊性詞匯“物流崩潰”出現(xiàn)在了人們的視野，這才讓整個社會意識到勞動力嚴重不足已成為刻不容緩的問題。

東芝在解決這個問題的道路上從未停下腳步。為滿足制造、流通、物流等行業(yè)的需求，東芝此前也開發(fā)過各式各樣的機器人。早在1967年，東芝就開發(fā)出了世界首臺具有手寫識別功能的“郵編自動讀取分揀機”。該機器與翌年（1968年）開始實行的郵編制度完美結(jié)合，采用機械化方式處理長期依靠人工操作的郵包分揀工作，為處于快速成長期的日本提供了強有力的支撐。目前，東芝在該領(lǐng)域仍占有較高的市場份額。

1967年推出的世界首臺實用手寫郵編自動讀取分揀機

該“郵編自動讀取分揀機”采用機械化方式代替以前的人工操作，即：“查看收件地址，進行分揀作業(yè)”，這大幅提高了工作效率。僅從該項操作來看，機械化作業(yè)速度遠超人工，且24小時持續(xù)作業(yè)，無需休息。但是郵政業(yè)務(wù)的全過程是“將投遞到郵箱的郵包準確地送達至收件地址”，就整個鏈條而言，仍有很多工作需要人工完成。

與郵政行業(yè)一樣，制造、流通、物流等行業(yè)也引進了機器人，負責完成各種自動化作業(yè)。盡管如此， “物流崩潰”仍成為了一項社會問題。因為，“物流崩潰”問題的根源在于勞動力不足。要想解決這一難題，我們需要實現(xiàn)更廣泛領(lǐng)域的自動化，即：需要在“必須由人類完成”的作業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化。

二、取代人類作業(yè)，機器人必備哪些功能？

傳統(tǒng)工業(yè)機器人擅長重復(fù)性作業(yè)，換而言之，它們不擅長根據(jù)周圍環(huán)境和情況來改變作業(yè)內(nèi)容。這是因為機器人不具備人類特有的能力。雖然它們能夠在預(yù)先設(shè)想的一定范圍內(nèi)進行判斷作業(yè)，但無法實現(xiàn)非定型作業(yè)（即：應(yīng)對無限增加的新情況，選擇高效方法進行作業(yè)） 。

為了讓機器人勝任這種非定型作業(yè)，就需要實現(xiàn)機器人智能化，即：觀察、思考、行動。具體而言，“觀察”能力即“識別技術(shù)”，“思考”能力即“規(guī)劃技術(shù)”，“行動”能力即“機構(gòu)控制技術(shù)”。

但隨著智能機器人在作業(yè)時與人類的距離的逐漸縮小，在涉及機器人技術(shù)開發(fā)時，我們必須確保其建立在人類安全的“安全設(shè)計技術(shù)”基礎(chǔ)之上。

人類是通過視覺和觸覺等感官來感知周圍情況的。為了讓機器人能像人類一樣觀察、確認周圍情況，需要更高端的“識別技術(shù)”。

例如，想要從雜亂堆積、形態(tài)各異的物體中正確地抓取目標，這就需要有“物體輪廓提取技術(shù)”的支持，即：正確判斷目標位置存在何種物體，各種物體是如何放置的。

在判斷物體輪廓的技術(shù)領(lǐng)域，東芝的判斷精度已達世界領(lǐng)先水平※1

¹V. Pham et al. “BiSeg: Simultaneous Instance Segmentation and Semantic Segmentation with Fully Convolutional Networks”. The Proceedings of the British Machine Vision Conference 2017

這種識別技術(shù)對于控制“行動”的“機構(gòu)控制技術(shù)”而言，是不可或缺的信息獲取手段。

傳統(tǒng)的機器人通過追蹤（識別）導(dǎo)軌及地板上的標記等實現(xiàn)正確移動。而在現(xiàn)有的識別技術(shù)支撐下，機器人能夠?qū)藴饰恢门c當前位置進行比較，判斷出自身位置，即使在沒有導(dǎo)軌和標記的地方，也能正確、自如地移動。這是機器人自行判斷并繪制最佳路線時必備的功能。

如上所述，可以說識別技術(shù)的目標就是賦予機器人像人眼一樣的視覺能力。

通過識別技術(shù)判斷自身位置。利用圖像判斷自身位置，無需地板上的導(dǎo)軌或標記

用于“思考”的“規(guī)劃技術(shù)”是根據(jù)識別技術(shù)獲取到的信息，讓機器人具備自行思考并行動的能力。

例如，要抓取箱子內(nèi)的物品時，人類思考的是，想抓取的物品在哪里，大小及重量如何，為避免碰到箱子內(nèi)側(cè)及其他物品又應(yīng)該如何伸出自己的手臂。

但對機器人而言，需要規(guī)劃動作，即：如何移動機器人手臂，才能在不碰撞周圍物品的前提下，抓取到目標物品。迄今為止，這個動作規(guī)劃一直是在人類指示下完成的。但是，機器人未來將會根據(jù)自身收集的信息進行思考，規(guī)劃動作。這便是規(guī)劃技術(shù)。機器人制定“動作規(guī)劃”時的實現(xiàn)方式是：根據(jù)識別技術(shù)獲取到的信息，在計算機制作的模型空間內(nèi)反復(fù)模擬操作，規(guī)劃出最佳動作方案。

一旦完成“動作規(guī)劃”，下一步就是實際“行動”了。這種“行動”所需的技術(shù)就是“機構(gòu)控制技術(shù)”。這在人類看來，也可以說是“用于實現(xiàn)靈巧動作的技術(shù)”

為達到“靈巧動作”的目標，東芝認為必需具備的最低性能標準是：通過模擬操作制定機器人手臂的動作規(guī)劃，并按照規(guī)劃正確移動機器人手臂。

例如，人類將貨物放入箱內(nèi)時，會把貨物靠著箱子邊緣放置。為了讓貨物靠近箱子邊緣，人類會用眼睛觀察并確認箱子邊緣，然后將貨物放在靠近箱子邊緣的位置。再緩慢向箱壁推動貨物，感覺到貨物碰到箱壁的反作用力時，則確認貨物已靠緊箱子邊緣，此時，才會松手。

而讓機器人手臂實現(xiàn)這些人類的無意識動作則要復(fù)雜很多，需要“用于實現(xiàn)靈巧動作的技術(shù)”。

具體而言，就是通過安裝于機器人手臂上的“力覺傳感器”，檢測出貨物與箱壁的接觸行為，實現(xiàn)動作的靈巧性。

在機器人手臂上安裝能夠檢測箱壁與貨物接觸行為的“力覺傳感器”后，則可以像人類一樣，將貨物靠緊箱邊放置。

此外，貨物形狀通常也不是固定的。如果堆積得雜亂無章，則可能出現(xiàn)傾斜情況。除貨物大小和形狀外，貨物重量也各不相同。這種差異對于人手來說可以靈活應(yīng)對。例如，改變抓取傾斜物體時的手勢及搬起重物時的姿勢等。為了發(fā)揮與人類相近的靈巧性，東芝開發(fā)出了具有“復(fù)合抓取功能”的機器人手臂，用于抓取各種形狀的物體。

復(fù)合抓取機構(gòu)，用于抓取大小、重量、形狀各異的物體

三、機器人使用安全升級

機器人走向高度智能化，這讓機器人動作更靈巧，其目的是：讓機器人取代人類，完成上面所述的“必須由人類完成”的作業(yè)。然而，在其取代人類后我們首先要考慮的，就是“確保安全性”。

由于人類與機器人的距離變近，出現(xiàn)事故的風險增高。為確保安全性，需要將機器人與人類的作業(yè)區(qū)域分開，并進行全面管理。

一直以來，機器人都需要人類從旁輔助，以承擔部分作業(yè)，機器人的作業(yè)區(qū)域與人類非常接近。人與人之間即便有接觸，危險性也很小。但人類與機器人接觸，則可能引發(fā)重大事故，因此，為了確保人類安全，必須引進以ISO13849-1等為標準的“安全設(shè)計技術(shù)”。

安全設(shè)計技術(shù)的基本原則之一就是“隔離原則”。即：機器人作業(yè)區(qū)域和人類作業(yè)區(qū)域互不干涉的原則。但存在的問題是：目前機器人只是取代人類的部分作業(yè)，因此，難以實現(xiàn)與人類作業(yè)區(qū)域互不干涉的要求。

針對此問題，東芝采用“作業(yè)區(qū)域選擇算法”，為了實現(xiàn)與人類互不干涉的要求，開發(fā)出了讓機器能夠選擇作業(yè)區(qū)域并自律移動的系統(tǒng)，從而確保了人類的安全。此外，與AGV（無人搬運車）控制動作的控制器不同，東芝配備了獨立的速度監(jiān)視模塊，能夠始終進行客觀的監(jiān)視，判斷“是否在一定速度之下行駛”，以確保安全。

東芝認為，機器人涉及的所有技術(shù)都應(yīng)建立在確保人類安全的基礎(chǔ)之上。在基礎(chǔ)構(gòu)思階段，將機器人可能傷害人類的悲劇徹底排除，這才是最重要的課題。