未來機器人入門——4：軟體

本系列將未來機器人的突破點分為6個創新領域：機械結構、硬體、電子、軟體、連通性、控制。將依次介紹這6個類別，並以此預測未來20年的發展。

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入門4：軟體

機器人軟體的發展圍繞著一段試圖為程序設計創造出一個標準框架的有趣的歷史而展開，理論上，這種框架能以開放共享的方式逐步提高所有機器人的能力。標準框架方面的努力通常是從計算標準化的成功中尋找啟示，而且這些努力已經在軟體開發中獲得了最好的實踐，並試圖將這些成果應用在機器人研究上。

但是，機器人遠比計算機更為多樣化，受制於此，在機器人研究上的這種嘗試只取得了部分成功。計算機之間有相似的結構，並使用類似的處理器和零部件。然而機器人們雖在外表上看起來很像，但內部結構卻完全不同：例如，一個機器人使用無線電收發器和低成本的處理器，而另一個則使用成熟的計算機和定製的感測器。標準化在這些差異性面前幾乎就是矛盾的。但是，這並沒有妨礙那些大公司做出最大的努力。

作為基於社區的互聯網工程任務組（Internet Engineering Task Force：IETF）早期的重要參與者，2002年，英特爾公司和其他一些公司率先開發社區和程序以實現機器人技術的標準化（no virtual host specified）。他們的想法是在這個成功模式基礎上規範機器人技術。基於它所具備的兼容性、開放性和一致性，IETF成功地協助完成了互聯網的規範化。通過提議建立機器人工程任務組（Robotics Engineering Task Force：RETF）從而將這些概念引入機器人技術，這似乎是合理嘗試的第一步，但是，這種嘗試在把基於一致性的方法應用於最簡單的問題時，就已經困難重重了：例如為機器人零部件編寫一系列標準化的規範。機器人技術可不是那麼輕易就能對感測器、馬達、處理器進行定義的——不是因為努力不夠，而是因為一個研究者的馬達，按照字面定義卻可能是另一個人的感測知器。即便是機器人這個詞也太難定義了，標準化似乎也只是一個目標，但還沒到實現這個目標的時候。

避開硬體上追求一致的目標，微軟從2005年開始藉助Microsoft Robotics Studio獨自進行機器人技術編程的標準化嘗試（Jacksonn2007）。微軟的目標是為機器人開發一個統一的編程介面，這種介面對愛好者、教育工作者、甚至從業人員都是很有價值的。應用目標的多樣性迫使微軟要同時解決多方面的需求，例如愛好者和教育工作者要求容易上手，研究工作者們要求具備如實時控制之類的高性能，還有工業裝配線機器人之類的商業應用的需求。同時，微軟希望支持一種基於服務的架構，以便機器人和機器人進程能夠發布和訂閱如同人臉追蹤、導航、遠程控制之類的服務。最後，為了滿足消費者如此多樣化的需求，它們生產出了一個產品，而且這個產品已經被一部分人所使用，但是還沒能成為廣泛的社區性標準。對於一個標準的誕生來說，2005年似乎還是太早了。

2008年，一個叫Willow Garage的新公司依靠其機器人操作系統（Robot Operating System，ROS）加入了競爭行列。英特爾的OpenCV庫由一系列開源的計算機視覺程序組成，它對愛好者、教育工作者和研究者們在計算機視覺方面的工作影響很大。ROS就是從英特爾公司先前十年間OpenCV上所取得的成功中獲取了靈感（Bradski and Kaehler 2008）。選擇重要的計算機視覺功能，然後在英特爾的計算機晶元上優化軟體使這些功能更好地運行，公司通過這種方式為希望創建終端用戶應用的人提供了高質量的視覺產品（Quigley et al. 2009）。從可以打乒乓球的機器人到能夠為人臉拍照然後用線條構畫出來的草圖繪製機械臂，OpenCV庫促成了迷人的演示程序在計算機實驗室和科技博物館裡的蓬勃發展。Willow Garage希望通過ROS將移動機器人所要用到的關鍵技術成功地打包給用戶，這樣用戶就能在Willow Garage自己的機器人上或者是其他的運行ROS的機器人上使用這些技術了。這些技術包括基本的導航、操控、跟蹤移動的物體、人臉識別、以及手勢識別。它們已經催生了一個由ROS研究者組成的子社區，這些人共同使用、修改ROS資源庫，以及向庫內添加功能包。

ROS對於搭載了高性能處理器的高端機器人尤為有效，然而智能手機方面的發展也顯示出小型低功率機器人領域也將會有同樣巨大進步。谷歌公司的安卓操作系統提出了一種架構，這種架構允許智能手機直接與機器人通訊，並允許智能手機像小型機器人的決策處理器或者大腦一樣運作。在不久的將來，你也許能夠建造一個這樣的機器人，它可以與你口袋中的手機通訊，甚至通過手機與互聯網通訊。你的手機甚至可能成為一個控制中心，像蜂后那樣，控制你周圍的一群低成本機器人。

過去十年的經驗告訴我們，將不會有對所有機器人都適用的大一統的軟體架構出現。這個領域的差異性實在是太大，以至於這種大一統的嘗試沒有任何意義。然而，在所有機器人都能使用的軟體服務里已經出現了重要的進展，並且這種進展的發展速度只增不減。室內導航曾是機器人技術里主要的研究難題，甚至整個會議議題都是致力於解決如何讓機器人不會迷路。現在，大學生常常不需要學習機器人導航理論，只是使用整套的室內導航工具包作為軟體服務，就能搭建出能夠進行室內地圖構建與導航的機器人。按照OpenCV和ROS的慣例，越來越多的軟體服務將會面向大眾，尤其是機器人將會走的更遠並與我們的現實世界做更多的交互——和人一樣在人行道上行走、乘坐電梯並協調出入、做簡單的煎蛋。在現在，這些對機器人來說都還是很困難的，但是只要出現合適的硬體設備，軟體上的解決方案很快就能以共享的方式開放出來，從而所有的機器人都能從中受益。

最重要的是要對這個構建的世界進行操控。處理家務事的能力，如拿起並移動罐頭、水杯、報紙、或是要洗的衣物，對於機器人在居家生活中扮演卓有成效的角色來說是非常重要的。現在，操控方面的研究水平僅相當於20世紀90年代室內導航的水平。研究先驅們開始展示他們的機器人，這些機器人有輕量級的機械臂和高級的感知能力，能識別桌子、分析桌子上的物品，然後在不碰到桌子上任何其他物品的情況下，用機械手抓起目標物品（Srinivasa et al. 2010）。推測物體的形狀，判斷用什麼樣的方式抓取，如何感知目標物體的重量，以及如果目標物體裝滿了液體，該如何在不讓液體灑出的前提下移動它，這些問題解決起來都會出乎意料地困難。

從早期的導航系統過渡到完整的室內導航解決方案只用了不到十年。現在，軟體技術的發展越來越快，我們也不會再遇到一年前所出現的計算方面的限制問題。如果在5到8年內對機器人的基本操控能成為堅實的公共服務，那麼在20年內我們有可能完全開發出來的機器人技能的數量將十分驚人。在現實世界中，很多事情需要我們人類機械地去做，將來這些都可以很好地流程化並由機器人模仿完成。

本文摘錄之我們翻譯的《機器人與未來》（第一財經2015年度特別推薦圖書）

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