斯坦福大學(xué)教授 Oussama Khatib 

2016 年 10 月在北京召開的世界機(jī)器人大會(huì)上，雷鋒網(wǎng)曾報(bào)道來(lái)自斯坦福大學(xué)的 Oussama Khatib 教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款潛水機(jī)器人 Ocean One （海洋一號(hào)）。令人驚嘆的是，Ocean One 曾潛入 100 米左右的海底，并且成功從一艘法國(guó)沉船上打撈出一個(gè)古文物。

今年，由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)（CCF）主辦，雷鋒網(wǎng)與香港中文大學(xué)（深圳）承辦的全球人工智能和機(jī)器人峰會(huì)上，Oussama Khatib 也來(lái)到大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，并在 7 月 8 日的機(jī)器人專場(chǎng)為我們分享了關(guān)于機(jī)器人研發(fā)背后的那些故事。

以下為 Oussama Khatib 演講實(shí)錄，雷鋒網(wǎng)在不改變?cè)獾幕A(chǔ)上進(jìn)行編輯。

為什么要開發(fā) Ocean One？

在某些情況下，潛水員為了潛入海底 160 米，必須在下潛倉(cāng)里呆上一周以適應(yīng)氧氣和氦氣的混合倉(cāng)，之后才能在水下進(jìn)行部件維修和維護(hù)。而完成工作后，潛水員又要回到地面，花三周的時(shí)間在氧氣和氦氣的混合倉(cāng)里適應(yīng)。這是一項(xiàng)非常危險(xiǎn)的工作。

如果機(jī)器人可以接觸到海床，人也可以感受到機(jī)器人和海床的觸覺(jué)。操作人可以沉浸在一個(gè)操作系統(tǒng)中，而機(jī)器人則可自主地在水下對(duì)所有動(dòng)作進(jìn)行識(shí)別。機(jī)器人通過(guò)無(wú)線光纖與地面及時(shí)連接，好像機(jī)器人是專門為你進(jìn)行潛水工作。

我們的目標(biāo)是希望通過(guò)觸覺(jué)設(shè)備，感受機(jī)器人所感受到的東西。

除了考古發(fā)掘，機(jī)器人還有其他的工作場(chǎng)景，如水下珊瑚保護(hù)、樣品采集，以及水下工程維護(hù)、檢查等。此外，在高緯度的地方如氣象站等，都希望機(jī)器人去解決問(wèn)題，從而很大程度上保護(hù)人的安全。

機(jī)器人如何與外界互動(dòng)？

對(duì)于家居機(jī)器人而言，它是一個(gè)人機(jī)的互動(dòng)，尤其是合作型機(jī)器人，不僅僅是簡(jiǎn)單的機(jī)械手臂，可以讓人和機(jī)器形成一種協(xié)同效應(yīng)。

在移動(dòng)性方面，我們要讓機(jī)器人明白外界，不僅僅讓它知道它應(yīng)該做什么，還要讓它知道完成這個(gè)任務(wù)該有哪幾個(gè)步驟，讓人的動(dòng)作成為它的榜樣。所以，我們要為機(jī)器人尋找不同的動(dòng)作，以及對(duì)它發(fā)出指令，要研究人類所有不同的動(dòng)作以及目的。這樣才能夠讓機(jī)器人的動(dòng)作更加靈活，更加快速。

我們?cè)谧鐾粋€(gè)動(dòng)作的時(shí)候，不斷的重復(fù)它，是很累的，機(jī)器可以這樣做，它不知疲倦。在這樣一個(gè)環(huán)境中，可以做出比較好的人機(jī)互動(dòng)，讓機(jī)器代替我們做一些比較困難的事情。我們可提前寫好程序，從更高的層面上向這個(gè)機(jī)器發(fā)出指令。那就是我們的指令動(dòng)作。比如像人的一些動(dòng)作，如何去教授這些機(jī)器動(dòng)作。我們可能不需要?jiǎng)幼骰蛘呶恢玫目刂?，然而機(jī)器是需要的。我們只是根據(jù)感覺(jué)，感受人手的位置，但是機(jī)器是需要的。所以我們對(duì)這個(gè)機(jī)器進(jìn)行編程，讓它能感知到外界的環(huán)境，這樣的關(guān)系是獨(dú)立的。所以我們可以看到，這個(gè)機(jī)器在旋轉(zhuǎn)，它感覺(jué)到了外置環(huán)境的變化。

我們可以通過(guò)這個(gè)扭矩控制機(jī)器的動(dòng)作。比如說(shuō)在關(guān)節(jié)處可以有一些互動(dòng)，比如人機(jī)互動(dòng)、操作、合作甚至完成一些任務(wù)，讓它更加安全。在斯坦福曾經(jīng)有過(guò)這樣一個(gè)設(shè)計(jì)。90 年代，我們的機(jī)器是實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)，我們只需要對(duì)它吹氣，它就可以動(dòng)了。我們可以打造一個(gè)非常好的控制能力，通過(guò)感知的傳感器就能夠?qū)崿F(xiàn)。

我們?nèi)绾螌?shí)現(xiàn)一些任務(wù)。比如說(shuō)人是需要完成一些任務(wù)的，我們希望能夠讓機(jī)器人有足夠好的視覺(jué)，就可以用抓取的系統(tǒng)，讓機(jī)器完成不同的任務(wù)和工作。這里會(huì)發(fā)現(xiàn)，這些機(jī)器是抓取了不同的物件，就可以截取足夠多的信息，讓我們知道真正發(fā)生了怎樣的事情。我們需要讓機(jī)器知道，在怎樣的位置需要旋轉(zhuǎn)和調(diào)整位置。

另外，可以用一些數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)器進(jìn)行編程。這樣機(jī)器就可以和外界產(chǎn)生互動(dòng)。當(dāng)然，外界是不同的，會(huì)經(jīng)常變化，會(huì)有一些錯(cuò)誤。我們要修正錯(cuò)誤，甚至可以把機(jī)器進(jìn)行一些調(diào)整，用手動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)，讓它修整過(guò)去的錯(cuò)誤?，F(xiàn)在可以去做一些更加復(fù)雜的任務(wù)。比如說(shuō)需要有一系列的動(dòng)作，這一系列的動(dòng)作就展示了一些比較復(fù)雜的任務(wù)是如何完成的。

我們要找到插頭上插孔的位置，就可以做旋轉(zhuǎn)，將插孔正確的插入進(jìn)去。這樣一個(gè)片段，是通過(guò)對(duì)于機(jī)器的編程實(shí)現(xiàn)的，之后這個(gè)機(jī)器就可以學(xué)習(xí)這樣的動(dòng)作。在人類的示范之后，機(jī)器會(huì)再次嘗試完成這個(gè)工作?，F(xiàn)在機(jī)器人有了更好的控制，所以這個(gè)機(jī)器人可以完成過(guò)去由人手工才能完成的任務(wù)。在這個(gè)展示中，機(jī)器在尋找插孔?，F(xiàn)在它已經(jīng)找到了插孔，找到插孔之后就會(huì)旋轉(zhuǎn)，取得合適的角度，就可以把插座插上，燈就點(diǎn)亮了。

1987 年的時(shí)候，我們訓(xùn)練這個(gè)機(jī)器，讓它完成一個(gè)搜尋的任務(wù)。另外，可以讓機(jī)器將合適的部件插入到合適的插孔里。也就是說(shuō)我們可以讓機(jī)器和外界產(chǎn)生一種互動(dòng)，一種相互的關(guān)聯(lián)。這樣，它們的動(dòng)作就會(huì)更加精準(zhǔn)，可以幫助機(jī)器不斷提升技能。機(jī)器可以進(jìn)行自行的匹配以及嘗試。在這背后，人的動(dòng)作是非常重要的。

讓機(jī)器學(xué)習(xí)人的技能

人可以有不同的技能，不同的能力，這些能力都可以讓機(jī)器去學(xué)習(xí)，把人類的一些動(dòng)作教授給機(jī)器，或者通過(guò)一些算法讓機(jī)器習(xí)得人類的動(dòng)作。比如這里建立了一個(gè)人類的運(yùn)動(dòng)模型。這個(gè)動(dòng)作是人在拋置物體的動(dòng)作，可以通過(guò) MRI 形成一個(gè)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)模型，在對(duì)人體進(jìn)行MRI的掃描之后，就可以把 MRI 的數(shù)據(jù)輸入到機(jī)器中。這也是一個(gè)非常重要的過(guò)程。這樣可以建立起一些模型，非常精準(zhǔn)的重現(xiàn)人的動(dòng)作。這樣我們也可以幫助人們?nèi)プ鲆恍┻\(yùn)動(dòng)康復(fù)。當(dāng)然，我們可以很好的觀察人類的運(yùn)動(dòng)。這樣才能進(jìn)一步提升運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)性。

另外，可以看一下人類是如何來(lái)處理不同任務(wù)的。我們有 MRI，就可以對(duì)人做一個(gè)掃描。但是在 MRI 里是不能動(dòng)的。在這里找到一個(gè)觸覺(jué)的反饋設(shè)備。比如說(shuō)可以建立一些聯(lián)系，把實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)聯(lián)系到電腦里，看一下實(shí)際發(fā)生了什么事情。比如說(shuō)有不同的方式對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程，讓計(jì)算機(jī)的動(dòng)作越來(lái)越趨向于人的反饋。比如可以做一些示范，讓機(jī)器學(xué)習(xí)。當(dāng)然，也可以引領(lǐng)機(jī)器做一些動(dòng)作。比如防撞、避免沖撞，或者我讓這個(gè)機(jī)器不要碰到我的手，它就會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行回避。機(jī)器人可以避免碰撞，還可以去到各種不同的位置。這也是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，在機(jī)器身上，必須要做很多的平衡。

我們說(shuō)這種機(jī)器，它如果是多觸點(diǎn)，就是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)，要控制它的任務(wù)，同時(shí)也要控制好這個(gè)機(jī)器本身的姿勢(shì)。當(dāng)然，這個(gè)任務(wù)的本身有方方面面的要求，多觸點(diǎn)就要求機(jī)器做好平衡。比如要有一些平衡，還要有自我避免碰撞的能力。但我們?nèi)绾尾拍軐?shí)現(xiàn)這個(gè)能力？也是現(xiàn)在需要有一種系統(tǒng)性的方式，幫助我們實(shí)現(xiàn)大量的配置，最終找到這樣的方法，讓機(jī)器人突破局限。

人、機(jī)器人和環(huán)境的接觸

現(xiàn)在我們所做出的最大突破就是能夠真正在實(shí)時(shí)情況下將力量，包括全身的控制結(jié)合在一起。這種方式就叫做對(duì)全身多觸點(diǎn)力量的平衡控制。這里是一個(gè)機(jī)器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)，它出現(xiàn)了非常明顯的跌倒情況。如果有任何來(lái)自于其他環(huán)境中的反作用力，這些人都很有可能跌倒。這樣一種力的平衡，就是能夠讓我們更好的了解到機(jī)器人的作用力、本身動(dòng)能和內(nèi)能幫我們形成多個(gè)接觸點(diǎn)力的形成。

在機(jī)器人上，我們總是在探討，對(duì)于動(dòng)作以及動(dòng)作執(zhí)行的重要性。在制造業(yè)中，很多時(shí)候都是把動(dòng)作進(jìn)行線下的設(shè)計(jì)。因?yàn)閯?dòng)作的設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜的，同時(shí)這個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行也是能夠幫助我們通過(guò)項(xiàng)目的方式實(shí)現(xiàn)的。但我認(rèn)為在這樣一種環(huán)境中，特別是抽象的環(huán)境中，這點(diǎn)是做不到的。這就是為什么我們現(xiàn)在建立了一個(gè)框架，這個(gè)框架可以讓我們更好地從多個(gè)層面通過(guò)傳感器的回路和環(huán)境接觸。

這樣一邊有動(dòng)作，底層有全身動(dòng)作的控制，能更好的幫助接觸感官信息，同時(shí)通過(guò)感官的信息以非常高的速度形成閉環(huán)的回路。最后處理這些數(shù)據(jù)，能夠找到其中一些特色數(shù)據(jù)，幫助更好的形成標(biāo)準(zhǔn)或者是參數(shù)。這些參數(shù)能夠幫助我們實(shí)現(xiàn)整個(gè)動(dòng)作的測(cè)序。人的接觸，通過(guò)觸覺(jué)、聲音、視覺(jué)實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)角度說(shuō)，可以幫助更好的保證機(jī)器實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)置的動(dòng)作。而周圍的環(huán)境，不是信息爆炸式的情況出現(xiàn)的，是一種相關(guān)性的信息展示出來(lái)，能建立起人和機(jī)器的合作。人、環(huán)境和機(jī)器人都是在同一個(gè)操作中，這樣一個(gè)閉環(huán)就是環(huán)境和人的操作包括人的動(dòng)作，最終這些信息的解釋可以幫助我們更好的看到人和機(jī)器人還有環(huán)境共同的接觸。

現(xiàn)在看一下如何探討一下機(jī)器人爬山的工作，可以看一下如何實(shí)現(xiàn)力的平衡，同時(shí)機(jī)器人在這些環(huán)節(jié)中不斷走動(dòng)，確保力的平衡，讓機(jī)器人可以在不同的環(huán)境中，在三個(gè)四個(gè)接觸點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)最終作用力和反作用力的平衡。

現(xiàn)有的時(shí)間控制，探討一下對(duì)于運(yùn)動(dòng)的復(fù)制，從人的角度來(lái)說(shuō)，會(huì)使用很多工具，幫助我們實(shí)現(xiàn)力的平衡?，F(xiàn)在有一個(gè)雙拐的機(jī)器人，甚至可以實(shí)現(xiàn)三拐機(jī)器人，可以探索周圍的環(huán)境，最終尋找到最好的接觸點(diǎn)。因?yàn)檫@些觸桿上有相關(guān)的感應(yīng)器，可幫助我們了解周圍的環(huán)境，這樣機(jī)器人才可以在未知環(huán)境中進(jìn)行探討，最終實(shí)現(xiàn)本身力的平衡，和環(huán)境的作用力進(jìn)行結(jié)合。

案例：機(jī)器人水下打撈文物

下面回到 Ocean One 這個(gè)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目結(jié)合了我剛剛提到的所有技術(shù)，有很多技術(shù)都能夠?qū)⒘Φ膭?dòng)態(tài)控制納入探討過(guò)程中。這個(gè)力的動(dòng)態(tài)控制是通過(guò)手的實(shí)現(xiàn)，最終改變機(jī)器人的配置，能夠幫助我們更好的理解如何將這些機(jī)械臂使用在物體的提升以及下放過(guò)程中，如何結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)能，不同功能幫我們實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制和機(jī)器人平衡要點(diǎn)。

這些所有的力都非常重要，在機(jī)器人的設(shè)置過(guò)程中，包括機(jī)器人的優(yōu)化過(guò)程中，要涉及到大量元件，這些元件都必須在水下操作，與此同時(shí)還要保證他們不會(huì)出現(xiàn)濕透的情況，這是斯坦福游泳池當(dāng)中的機(jī)器人，現(xiàn)在這個(gè)技術(shù)越來(lái)越成熟。4 月份出現(xiàn)第一次實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在這個(gè)機(jī)器人已經(jīng)可以幫助我們完成一部分工作。

我們把機(jī)器人放到一個(gè)大箱子里，送到地中海的實(shí)驗(yàn)地。這是一個(gè)科學(xué)教育研究室，把機(jī)器人放到水中。這個(gè)機(jī)器人是能夠從 1.5 米水深的游泳池中出來(lái)?，F(xiàn)在要在 100 米深的水中實(shí)際進(jìn)行游泳。一開始我們想看是否能在水體中適應(yīng)，放到水下 15 米，還有相關(guān)人的潛水員和機(jī)器人進(jìn)行共同的合作和交互。機(jī)器人完成了不同的任務(wù)，對(duì)于它的構(gòu)建進(jìn)行進(jìn)一步鑒定，后來(lái)發(fā)現(xiàn)它的水平還不錯(cuò)。然后開始讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自我下潛，沒(méi)有人的潛水員陪伴，機(jī)器人下到 100 米水深的位置。

在 91 米的法國(guó)海域水下，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)下潛，開始漸漸接近于海底。當(dāng)機(jī)器人越靠近海底或者海床，就會(huì)有很多石沙和泥沙出現(xiàn)，就會(huì)失去很多視覺(jué)的清晰性。有時(shí)候機(jī)器人會(huì)卡在這些海溝中。對(duì)于人來(lái)說(shuō)，我們和機(jī)器人一樣，有同樣的形式和機(jī)械臂。我們開始意識(shí)到當(dāng)我們把機(jī)器人拉回過(guò)程中，機(jī)器人完全卡住，我們當(dāng)時(shí)快要折損這個(gè)機(jī)器人，但是機(jī)器人自己通過(guò)手的觸覺(jué)縮回來(lái)了。我當(dāng)時(shí)可高興了。

這個(gè)機(jī)器人現(xiàn)在正在收集一些海底的碎片，把它放到容器中。一旦我們收集到這些東西，把容器蓋關(guān)上，就可以帶到海平面上，這是自動(dòng)化的過(guò)程。這是我們從水下遺址中收到的遺跡，是 16 世紀(jì)海下沉船的遺跡。這些是我的學(xué)生，他們非常非常高興能夠看到這個(gè) 16 世紀(jì)沉船遺物重見(jiàn)天日。

這是我們的一個(gè)海下作業(yè)船，這艘作業(yè)船專門針對(duì)海下地質(zhì)勘探。

我們把機(jī)器人帶到海底尋寶過(guò)程中。整個(gè)下潛在 2016 年 4 月 10 號(hào)完成。人類的潛水員和機(jī)器人在 50 米的水深交互，我們?cè)谧鳂I(yè)中能操作機(jī)器人的觸覺(jué)系統(tǒng)。所以機(jī)器人當(dāng)時(shí)和兩個(gè)人進(jìn)行溝通，一個(gè)是人類潛水員一個(gè)是操作員。我們?cè)谒聹y(cè)試了這個(gè)機(jī)器人的各種動(dòng)作，它要在百米水下進(jìn)行的操作動(dòng)作。最后證實(shí)機(jī)器人可以在百米水下操作，當(dāng)機(jī)器人成功之后就可以朝更深的水域下潛?，F(xiàn)在要把機(jī)器人下潛到 100 米的水域。因?yàn)?100 米水壓已經(jīng)很大，它也會(huì)遇到很多情況，有可能會(huì)造成機(jī)器人的失敗。

現(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)慢慢下潛，在兩個(gè)海溝之間游動(dòng)，出現(xiàn)了非常明顯的泥沙。這時(shí)候我失去了機(jī)器人的視覺(jué)，看得不是非常清楚，機(jī)器人卡住了，我們非常擔(dān)心。但是正是使用了機(jī)器人手上的觸覺(jué)系統(tǒng)，成功的收回了這個(gè)機(jī)器人。我相信這是人類的潛水員沒(méi)有辦法達(dá)到的水底深度。但機(jī)器人通過(guò)觸覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)方式，降到海底到達(dá)海床。

現(xiàn)在這個(gè)機(jī)器人已經(jīng)抵達(dá)我們要到的遺跡地點(diǎn)，現(xiàn)在機(jī)器人要開始采集這個(gè)遺跡了。我們機(jī)器人的機(jī)械手臂開始拿起文物，機(jī)器人慢慢把物件運(yùn)往容器所在地，然后機(jī)器人把它的物件放進(jìn)容器里。最后一個(gè)任務(wù)，機(jī)器人把容器蓋蓋上，容器蓋一旦蓋上，就會(huì)自動(dòng)往海面輸送物件。成功了，我們非常非常興奮。這是我們整個(gè)星期的海底操作。最終我們能夠在不損壞文物本身的情況下，從 16 世紀(jì)的海底拯救起來(lái)，讓它重見(jiàn)天日。我們團(tuán)隊(duì)都非常高興，在沒(méi)有任何外力損失的情況下回收了物件。我們非常高興，給機(jī)器人也來(lái)了一杯香檳。

這是一個(gè)很好的案例，向我們展示出一旦我們可以讓人和機(jī)器人連接，在環(huán)境和挑戰(zhàn)中可以做到什么樣的水平。

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