智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 楊暢
編輯 | Panken
智東西7月15日消(xiao)息，近日，美國麻省理工學院研(yan)究人員研(yan)發了一種新算法，能(neng)讓機器人靈活地幫人類穿衣(yi)服。
據悉，該(gai)算法可為機(ji)器(qi)人(ren)(ren)找到有效的(de)運動規劃，能確保人(ren)(ren)類(lei)人(ren)(ren)身安全，并避免(mian)“機(ji)器(qi)人(ren)(ren)凍(dong)結”問(wen)題。
一、讓機器人穿衣服，要克服這兩大難題
讓(rang)機器人給人類穿衣(yi)服，聽起來容易，要(yao)做到則需攻克技(ji)術難題。
一(yi)個(ge)人幫朋(peng)友(you)往杯子里到咖啡很容易，但對機(ji)器(qi)人說，要(yao)學會(hui)這個(ge)看似簡單的(de)任務，它需要(yao)仔細觀(guan)察和理解人類的(de)行(xing)為。
因為機(ji)器人(ren)(ren)不具備(bei)像人(ren)(ren)一樣控(kong)制自身行為的(de)意(yi)識和(he)能力，所以(yi)要實現機(ji)器人(ren)(ren)和(he)人(ren)(ren)類的(de)安全交(jiao)互，需要對機(ji)器人(ren)(ren)的(de)行為進行系統(tong)的(de)規劃和(he)協調。
如(ru)果(guo)能(neng)構建正確(que)適當的人體運(yun)動建模(mo)（包含人類(lei)如(ru)何移動、反(fan)應和響(xiang)應），那么(me)機器人就(jiu)能(neng)流暢地與人交互，但在很多情(qing)況(kuang)下，完(wan)美無缺的建模(mo)并不存(cun)在。
例如(ru)，如(ru)果(guo)讓家用機器(qi)人(ren)使(shi)用一種簡單的默(mo)認模型，來教機器(qi)人(ren)如(ru)何幫(bang)人(ren)穿(chuan)衣服(fu)，這個模型不會解(jie)釋人(ren)類(lei)反應存在(zai)很大的不確定性，跟每個人(ren)的個性、習慣都有關系。
比如(ru)，給(gei)蹣(man)跚(shan)學步的(de)孩(hai)子穿衣服，和給(gei)不太靈(ling)活還虛弱的(de)老人(ren)、或容易疲勞的(de)殘障人(ren)士穿衣服，需要用到不同的(de)方法(fa)。
如(ru)果(guo)僅根(gen)據默認的模(mo)型進行(xing)軌跡規劃，那么機器人(ren)可(ke)能(neng)會碰傷人(ren)類。但如(ru)果(guo)在確保人(ren)類安全方(fang)面過于保守(shou)，那機器人(ren)可(ke)能(neng)會認為附近空(kong)間活動都(dou)不安全，因而不會移動，則又出現“機器人(ren)凍結（Freezing Robot）”的問題。
二、模型預測控制（MPC）算法保證人類安全
人(ren)機(ji)(ji)交(jiao)互(hu)時(shi)，機(ji)(ji)器人(ren)采用的安全方(fang)(fang)法包括預測和(he)反應(ying)。預測方(fang)(fang)法允許機(ji)(ji)器人(ren)預測人(ren)類行為，同(tong)時(shi)規(gui)劃無碰(peng)撞運(yun)動。反應(ying)方(fang)(fang)法是使機(ji)(ji)器人(ren)能夠實時(shi)檢測碰(peng)撞，并在碰(peng)撞時(shi)做出相應(ying)反應(ying)以減少和(he)人(ren)接觸(chu)產生的力。
這項研究論文的第(di)一(yi)(yi)作(zuo)者、麻省理(li)工(gong)學院的博士Shen Li說：“在不影響(xiang)任(ren)務效率(lv)的前提下，開發算法來防止機器人(ren)對人(ren)類身(shen)體造成傷害是一(yi)(yi)項關鍵挑戰(zhan)。”
研(yan)究(jiu)(jiu)人員首先對(dui)“安全(quan)”進(jin)行(xing)了重新的(de)(de)(de)(de)定義，在(zai)之前的(de)(de)(de)(de)相關研(yan)究(jiu)(jiu)中，對(dui)于人機交(jiao)互預測(ce)和(he)反應方(fang)法方(fang)面的(de)(de)(de)(de)人身安全(quan)定義是(shi)：避(bi)免(mian)碰撞和(he)減少接觸(chu)產生的(de)(de)(de)(de)力。
通過結合這兩(liang)個(ge)定(ding)(ding)義(yi)，研(yan)究人員在人類(lei)感知運動規劃（HAMP）的背景下重新定(ding)(ding)義(yi)“安全”為：避免碰(peng)撞和發(fa)生碰(peng)撞時產生的安全沖擊兩(liang)個(ge)方面。
對(dui)比(bi)之前的方(fang)法，很(hen)多方(fang)法都是按順(shun)序集成預測和反應方(fang)法，機(ji)器人首先使用運動規(gui)劃器來尋找路徑，然后使用兼容控制器來執行。但(dan)兩(liang)者方(fang)法是分別優化其(qi)自身特定目(mu)標，而不是兩(liang)種(zhong)方(fang)法保持同一個目(mu)標。
針(zhen)對這些情況，本研(yan)究(jiu)的研(yan)究(jiu)人員提出了一種(zhong)安全規劃器，在一個框(kuang)架內集(ji)成預測(ce)和反(fan)應方法。
結合Koller等學者的研(yan)究(jiu)，研(yan)究(jiu)人員還開(kai)發了一(yi)種模型預(yu)測控制算法。根據他(ta)們(men)自(zi)己的定義，即使人類的動態模型不確定，這個算法也能保(bao)證人類的安全(quan)。
該團隊的算法對于人類建模(mo)(mo)中的不確(que)定(ding)性(xing)信(xin)息進(jin)行(xing)(xing)了推(tui)理，他(ta)們不是讓(rang)機器人只了解一(yi)種涉及(ji)潛在反應的單一(yi)默認模(mo)(mo)型，而是讓(rang)機器人學習更多可(ke)能的模(mo)(mo)型，來更接近人類，模(mo)(mo)仿人類如何(he)理解其他(ta)人。隨著機器人收(shou)集數據地不斷增加，它會(hui)自己減(jian)少不確(que)定(ding)性(xing)并改(gai)進(jin)這些人類行(xing)(xing)為模(mo)(mo)型。
例如，假設人(ren)(ren)(ren)類對穿衣的反(fan)應有兩種(zhong)可能的模(mo)型。“模(mo)式一(yi)”是(shi)人(ren)(ren)(ren)在穿衣時(shi)(shi)向(xiang)(xiang)上移動(dong)，“模(mo)式二”是(shi)人(ren)(ren)(ren)在穿衣時(shi)(shi)向(xiang)(xiang)下移動(dong)。借助團隊的算(suan)法，當機器(qi)人(ren)(ren)(ren)計(ji)劃(hua)其運(yun)動(dong)時(shi)(shi)，它不會選擇一(yi)種(zhong)模(mo)型，而是(shi)會盡量確保兩種(zhong)模(mo)式都(dou)是(shi)安全的。無論人(ren)(ren)(ren)是(shi)向(xiang)(xiang)上還是(shi)向(xiang)(xiang)下移動(dong)，機器(qi)人(ren)(ren)(ren)找到的行動(dong)軌跡都(dou)能保證人(ren)(ren)(ren)的安全。
三、成功在確保安全前提下給人穿衣服
在實驗中(zhong)，機(ji)(ji)器人幫助人類穿(chuan)上(shang)夾克，證(zheng)明這種算(suan)法是一種強大的工具(ju)，它能讓(rang)機(ji)(ji)器人更精(jing)準(zhun)高(gao)效地幫助行(xing)動(dong)不(bu)便(bian)的人。
除了關注人類身(shen)體是否安全之外(wai)，未來(lai)該團隊的工作可(ke)能會集中在調查機器(qi)人輔助(zhu)穿衣任務期間(jian)人類的主觀感(gan)受。
美國卡(ka)內基梅隆大(da)學機(ji)(ji)器人(ren)(ren)研究所助理教(jiao)授Zackory Erickson說：“這(zhe)種(zhong)多方面的方法結合(he)了集合(he)理論、人(ren)(ren)類感知安(an)全約束、人(ren)(ren)體運動預測和安(an)全人(ren)(ren)機(ji)(ji)交互(hu)的反(fan)饋控制，有(you)可能(neng)應用于各(ge)種(zhong)輔(fu)助機(ji)(ji)器人(ren)(ren)場景，最終目標(biao)是使機(ji)(ji)器人(ren)(ren)能(neng)夠(gou)為(wei)殘障(zhang)人(ren)(ren)士提供更(geng)安(an)全的幫(bang)助。”
結語：人機交互安全性還有提升空間
從掃地機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)、廚(chu)師機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)、送(song)餐機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)、看(kan)護機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)到本研究的穿(chuan)衣機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)等(deng)等(deng)，機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)的種類和功能(neng)越來(lai)越多，使用的場景也在不斷增多，尤其老人(ren)(ren)、小孩(hai)和殘障人(ren)(ren)士，除了家人(ren)(ren)的照顧之外，未來(lai)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人(ren)(ren)可能(neng)也會提供越來(lai)越多樣(yang)的幫(bang)助。
機器人數量和使用范圍(wei)的拓(tuo)寬，人機交互(hu)更加密切。到目前，人機交互(hu)的安全性問題像這(zhe)個穿衣機器人實驗一樣(yang)，只是在某一或某類特定場景下實驗成功，其他場景還有(you)待核(he)驗。人機交互(hu)的安全性還有(you)不少可提升空間。
來源：Tech Xplore
