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智能机器人发展与现状

智能机器人正在改变着我们的生活,想象这样一种场景。

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也许不知不觉的某一天,我们就会发现类似这样的机器人会真实出现在生活当中。

科技的发展日新月异,智能机器人也突飞猛进,伴随机器人发展而生的机器人操作系统,也是机器人重要的发展动力之一。

智能机器人举例

提到智能机器人,大家脑海里会映射出什么样的情景呢?

是不是会有很多科幻电影中变形金刚、大白机器人、星球大战等场景呢?

智能机器人这个概念,只是一个科幻词汇么?当然不是的,其实在我们身边,已经有越来越多智能机器人出现,我们来看看他们都在哪里?

扫地机器人

先来看一个大家最熟悉的一个类型——扫地机器人。现在的扫地机器人,除了可以完成扫地、拖地这样一些基本功能之外,还搭载了激光雷达、相机、红外等十几种传感器。

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一个全新的扫地机器人虽然是第一次来到你家,但是它可能用到 5 分到 10 分钟时间,很快就可以通过它的传感器对你的家庭环境了如指掌,也就是把实际的家庭环境做成了一张地图,这样他就会知道哪里是卧室,哪里是餐厅,哪里是厨房,不同的区域用多大的风力,用多大的水量来去清扫最为合适,它都会智能化地来做判断。

除此之外,它还得知道怎么样去躲避各种障碍物,比如说家里面的宠物、地上摆放的插线板,各种各样的杂物等等。

所以看似非常小的一个扫地机器人,其实已经是一个很智能化的家用设备了,正在潜移默化地改变着我们的生活。

自动化仓储

第二个案例,虽然大部分人在生活中不会直接接触,但却和每一个人息息相关,那就是自动化仓储。

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这是京东某个实际部署运营的一套自动化的仓库,在里面可以看到各种各样的机器人,比如工业机械臂、移动机器人等等,这套立体仓库当中大量的货架也是自动化的,这就是一个典型的机器人应用场景。

之前有一个关于京东的新闻报道,里边讲到,从我们下单那刻开始,到商品分拣出来放到快递员手上,只需要20分钟。比如我们要买个手机,下单付款,20分钟之后,这个手机已经从这么庞大的仓库中顺利找到,并且完成了包装、打标、分配等一系列工序。这样,我们在绝大部分城市,基本都可以体验到下单之后,当天或者隔天收货的体验,为什么它可以做到如此高效,就是因为背后这一套由机器人组成的自动化系统,借助大数据的分析,甚至可以做到在你下单之前,平台就知道你将要买什么东西。比如说你会按照一个月的频率买米买面,那平台就可以预测到上个月你买的米应该快吃完了,然后就会在距离你家最近的一个仓库里面备货。 当你下单之后,这袋米可能半个小时送到你手上了。

自动驾驶

第三个案例,那就是当今最为热门的技术之一——自动驾驶。

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自动驾驶汽车也是典型的移动机器人系统,为了保证绝对安全的驾驶过程,汽车上装配了非常多的传感器,以及极为复杂的控制算法。

视频中我们看到的是华为自动驾驶系统在实际路面上测试的效果,自动驾驶汽车通过多个相机、雷达、超声波,实时构建周围环境的三维信息,不仅可以动态识别路面上的行人车辆、车道线、交通指示灯等,还可以安全完成超车、会车、跟车、转向等重要功能,同时对突发状况也可以及时处理,比如躲避突然出现的车辆、礼让行人等,最终自动行驶入库,把我们安全顺利的送到目的地。

虽然自动驾驶相关的技术和法律法规还在不断完善中,但是相信有一天我们每个人都可以体验自动驾驶的乐趣,而且这一天不会太远。

智能机器人发展

机器人的发展横跨几十年,经历了三个重要时期。

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2000年前,机器人主要应用于工业生产,俗称工业机器人,由示教器操控,帮助工厂释放劳动力,此时的机器人并没有太多智能而言,完全按照人类的命令执行动作,更加关注电气层面驱动器、伺服电机、减速机、控制器等设备,这是机器人的电气时代。

2000年后,计算机和视觉技术逐渐应用,机器人的类型不断丰富,出现了AGV、视觉检测等应用,此时的机器人传感器更加丰富,但是依然缺少自主思考的过程,智能化有限,只能感知局部环境,这是机器人的数字时代,不过这也是机器人大时代的前夜。

2015年之后,随着人工智能技术的快速发展,机器人成为了AI技术的最佳载体,家庭服务机器人、送餐机器人、四足仿生机器狗、自动驾驶汽车等应用呈井喷状爆发,智能机器人时代正式拉开序幕。

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2015年之后,智能机器人市场迅速爆发,到2025年,国内人工智能市场有望达到1164亿元,而作为人工智能重要载体的机器人,市场更会达到1463亿元。

行业的快速发展,必将带动大量专业人才的需求,人才缺口也将逐年扩大,2025年,预计国内机器人行业的人才缺口将超过450万,人工智能方面的缺口更会达到1000万。

面对如此严峻的人才需求,国内各高校从2016年起,陆续开设机器人和人工智能专业,为人才的供给提供有力保障。

智能机器人的快速发展,必将对机器人开发提出更高的要求,软件层面最为热点的技术之一就是机器人操作系统,这也是我们课程的主角。

机器人操作系统

对于越来越复杂的智能机器人系统,已经不是一个人或者一个团队可以独立完成的,如何高效开发机器人,是技术层面上非常重要的一个问题,针对这个问题,一群斯坦福大学的有志青年尝试给出一个答案,那就是机器人操作系统。

ROS的诞生

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2007年,他们诞生了这样一个想法,我们有没有可能做一款个人服务机器人,帮助我们完成洗衣、做饭、收拾家等一切你不想做的事情,甚至还可以在你无聊的时候,陪你聊天玩耍,最后他们真的做出来了。

当时,他们深知做出这样一款机器人并不容易,机械、电路、软件等都要涉及,而且横跨很多个专业,光靠自己肯定做不到,此时他们诞生了这样一个想法:既然自己做不到,那为什么不联合所有人一起干呢?如果设计一套标准的机器人平台和其中的软件,大家都可以在这个平台上做应用开发,既然应用软件都基于同一平台,应用的分享也很容易实现,这就类似别人开发的苹果手机应用,只要你有苹果手机,同样也可以用。

说干就干,初期的机器人原型是用实验室可以找到的木头和一些零部件组成的,后期有了充足的资金,才得以实现图中这款外观精致、性能强悍的机器人——PR2,Personal Robot 2代。

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在这几个图中,我们可以看到PR2机器人已经可以完成叠毛巾、熨烫衣服、打台球、剪头发等一系列复杂的应用功能,以叠毛巾为例,这在当时是轰动机器人圈的重要研究,因为第一次有机器人可以完成柔性物体的处理,虽然效率很低,在100分钟之内只完成了5条毛巾的整理,但是在学术层面,却推动机器人向前走了一大步。

这款机器人中的软件框架就是ROS的原型,所以ROS因这款个人服务机器人而生,很快也从中独立出来,成为一款用于更多机器人的软件系统。

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ROS怀揣“提高机器人软件复用率”的目标,促使社区快速发展和繁荣,时至今日,ROS已经广泛用于各种机器人的开发,无论是机械臂、移动机器人、水下机器人,还是人形机器人、复合机器人,统统都可以看到ROS的身影,ROS已经成为机器人领域的普遍标准。

ROS的特点

提高机器人软件复用率,这个目标简单来讲就是不要重新造轮子

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正如一家做汽车的公司,从零制造汽车并不是一个明智的做法,他们通常会采购A家的轮子、B家的引擎、C家的多媒体系统,最后把这些整合到一起做成汽车。同理,我们也可以将ROS社区中已有的各种软件集合到一起,在此之上去实现自己的创意,同时还可以将自己的成果分享给别人,这样大家都可以站在巨人的肩膀上,向前走的更远,一步一步,智能机器人才会有更多沉淀和更长远的进步。

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围绕这个核心目标,ROS在自身的设计上也尽量做到了模块化,由通信机制、开发工具、应用功能、生态系统四大部分组成。同时ROS具备多项特点,这里的ROS是ROS1和ROS2的总称, 比如:

  • 社区是全球化的,那就可以集合全人类的智慧来推进机器人的智能化发展;
  • 这些智慧的结晶都会以各种各样的应用案例在社区中沉淀下来;
  • ROS本身也是完全开源的,商业许可证非常宽松
  • 对商业应用功能友好,这就代表着公司可以直接使用ROS开发商业化的机器人产品,缩短了产品的上市时间
  • ROS也可以跨平台使用,Linux、Windows、嵌入式系统都可以跑;
  • ROS2中也新增了很多支持工业应用的新特性和新技术,促使ROS在越来越多领域中被使用。

ROS的社区

社区是ROS快速发展的核心动力,什么是社区呢?其实就是ROS相关资源的整合方式,比如wiki说明、问答网站、应用源码、论坛讨论等都算是社区中的元素。

ROS全球社区有几个重要网站:

  1. answers.ros.org,这是一个ROS问答网站,大家可以在上边提出任何关于ROS的问题,全球很多开发者都很乐意回答我们的问题;
  2. wiki.ros.org,这是ROS的维基百科,记录了ROS教程和各种功能包的使用;
  3. discourse.ros.org,这是ROS论坛,关于ROS开发的新鲜事都可以在这里发表和查看,比如ROS的活动、新功能包的发布等等。
  4. index.ros.org,是ROS各种资源的一个索引网站;
  5. packages.ros.org,是ROS功能包存储的数据库。

这几个网站的使用情况基本就可以代表ROS社区的活跃度了。

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上图是近几年ROS社区页面浏览量的增长曲线,从总体趋势上来看,各项增长速度都非常快,wiki作为日常使用最为频繁的网站,使用度无疑是最高的,现在每个月有150万左右的访问量,answers和packages现在差不多,每个月有80万左右,其他两个不多,四项加起来每个月基本有250万左右的访问量,已经是一个活跃度非常棒的社区了。

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从访问人数上来看,上边这张图更为清晰,wiki每个月有20到25万人使用answers每个月有15万人以上使用,四项加起来每个月差不多有40多万的使用人数,这些用户绝大部分都是机器人开发者,可以看到ROS使用人数是越来越多了。

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这张图是根据功能包下载次数统计得到的地域排名,基本上可以代表不同国家机器人研发的活跃程度,给大家作为一个参考。

总而言之,通过这些数据,我们可以看到的是ROS发展迅猛,正在助推机器人革命这一波大浪潮,大家每一个人在其中都大有可为。

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