在漫威娛樂出品的第一部鋼鐵俠電影中，主角托尼·斯塔克（Tony Stark）開發了一個大型機械助手，命名為Dum-E。作為目前工業級制造機器人的縮小版和更加安全的版本，Dum-E具備足夠的語音和手勢識別能力，此外還可以進行運動控制，幫助托尼完成很多的工作。

Dum-E不僅展示了協作機器人（cobot）的巨大潛力，而且還展示其關鍵的功能。例如這臺協作機器人可以與托尼一起工作，在維修設備的過程中幫助托尼拿著鋼鐵戰甲的機械靴子。然后托尼會對著它大喊大叫，讓它停止到處噴灑阻燃劑；它不情愿的放下手臂，發出一聲嘆息，以此來表示它理解。協作機器人保證人類的安全——保護托尼免受火災——體現了對阿西莫夫機器人第一定律的堅持：機器人不能夠傷害人類或因為自己的不作為而讓人類受到傷害。

開發協作機器人需要創建很多復雜的系統來感知、交流，并且能夠與人類一起安全的四處活動。

復雜感知系統的要求

為了幫助人類，協作機器人使用了一系列技術來模擬人類的基本感官和環境，然而五官感覺必須與內在感受（感知內部狀態）和本體感受（對本體位置的感知）結合起來，這樣才能夠實現類似人類的整個活動過程。此外協作機器人還必須能夠進行通信和移動，這就需要另一套系統來與人類進行交談、理解和進行互相幫助。

感知周圍環境：外部感知

所有的協作機器人都使用了一些模仿人類基本感官的技術組合：視覺、聽覺、味覺、嗅覺和觸覺（圖1），這五種感覺屬于外部感知的范疇，即對外界刺激的敏感度。

圖1：這個圖描述了五種感覺：視覺（眼）、聽覺（耳朵）、嗅覺（鼻子）、味覺（舌頭）和觸覺（手）

為了能夠幫助人類，協作機器人必須擁有一系列環境感知傳感器來執行任務，從而避免不必要的麻煩。協作機器人常見的外部感受傳感器包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺、溫度、加速度和距離等。

感知它們的內部狀態：內在感受

為了能夠自我維護，機器人必須能夠獲取它們內部的狀態。這與人類的相互感覺相對應，即感知身體內在狀態的能力，比如消化、呼吸和疲勞等。舉個例子，一個協作機器人必須知道它的電池什么時候需要充電，然后要主動去尋找充電器。另一個例子是協作機器人要能夠感知過高的溫度，當它內部的發熱致使溫度過高時就會無法在人類身邊工作了。其他相互感知的例子還有感知光、接觸等，下文我們很快就會講到。

感知它們的相對位置：本體感受

外部和內部的感知對于協作機器人的操作和維護是至關重要的，但是要對人類有用，大多數協作機器人還必須具備本體感受。由于大腦的相互作用和解釋，本體感受使得人體能夠在不看四肢的情況下移動和控制它們。

對于人類來講這使得人類能夠感知身體各部分的相對位置，并且感知運動所需要的力量。人體的本體感受器官包括肌肉、肌腱和關節等。對于協作機器人來說本體感受的功能主要依賴機電制動器和電機來模擬，本體感受的測量包括關節位置、關節速度和運動力矩。

與人類進行交流

聲音和運動不是感官，但是是人類和機器人交流和執行任務所必須的。協作機器人需要語音通信來判別所聽到的內容，從而提醒人類注意潛在的危險。語音合成的硬件和軟件可以用來模擬人類的聲音。

現在人工智能（AI）開始使人類和協作機器人之間進行實際的對話成為可能。機器人能夠理解人類語言中的細微差別，比如聊天、半句話、笑聲，甚至發出“啊哈”等不確定詞匯時也能夠聽懂。共享資源比如會話層是機器人正在學習的另一個概念，為了防止交談的混亂，機器人被限制一次只能與一個人進行明確的對話。

協作的復雜性

人類使用多種感官來運動、操作和交流。一個常見的例子是肢體語言比如在使用不同手勢時還會使用語音命令。對于協作機器人來說這種形式的協作需要視覺識別來完成手勢識別、語音識別來理解不同的命令，以及借助人工智能（AI）來理解與人類交流時的內容。托尼就是采用這些技術才實現了與Dum-E的溝通交流。

我們繼續深入探究這一點，這次我們舉一個通過視覺和觸覺（或觸摸）反饋結合感官理解的例子，實際生活中外科醫生在實際操作之前都會進行模擬手術（圖2），模擬過程是創建一個虛擬現實（VR）的場景，外科醫生可以在該場景中查看和測試手術的整個過程，然而模擬過程中是無法感受到手術刀與人體組織接觸的感覺。這就是觸覺反饋的作用所在，因為它能夠幫助模擬過程中的觸覺和力量。

圖2：觸覺的反饋能夠讓手術模擬過程中的感覺更加的真實

機器怎樣通過觸覺實現交流呢？觸覺反饋最常見的形式是通過振動來實現的，比如抖動產生的感覺，但是還有些是靜音的，比如手機。以外科手術為例，線性的驅動器可以取代振動電機，當外科醫生對模擬手術刀施加壓力時，線性驅動器可以上下移動對身體的某一部分施加一定的壓力，這個壓力對應的就是模擬手術刀上的壓力。

以協作機器人為例，協作機器人的抓手（或手）裝置中采用了觸覺反饋設計，這些抓手通常包含一個用于識別被握持物體的手腕攝像頭，以及為觸覺提供輸入力——力矩轉化的傳感器。

大多數工作人員通過按鈕、操縱桿、鍵盤或數字接口（圖3）來與協作機器人實現交流和控制，然而這就像它們對人類一樣，語音和觸覺可以成為協作機器人更加有效交流的媒介。

圖3：手勢和語音識別可以取代協作機器人的操作界面

觸覺和眼睛的移動是另一種感官組合，同樣可以幫助改善人類與協作機器人之間的互動方式。當人類要指向一個物體時，它會先朝著這個物體的方向看，協作機器人的視覺傳感器可以捕捉這種預期行為，從而提供關于人類的行為的判定結果，同樣技術也可以幫助協作機器人將這種判定結果傳達給人類。現在機器人可以借助投影儀將目標物體或者行動路線照亮。

總結

與任何新興的技術一樣，實現協作機器人與人類更加高效的交流工作仍然面臨著許多的挑戰，就像“鋼鐵俠”中托尼·斯塔克（Tony Stark）一樣，人類會不會覺得協作機器人會更令人沮喪而不是更加有用呢？

如今大多數機器人都集成了高級的語音和視覺識別功能來幫助人類，然而協作機器人缺乏的能力是對連續內容的理解以及對復雜情況及時做出反應。人工智能對于協作機器人實現真正的交互、預測和溝通是至關重要的，尤其是當它們需要將某些復雜的任務交給人類來處理時，這在自動駕駛汽車領域是一直存在的問題。

比較樂觀的是在“鋼鐵俠”這部電影接近尾聲的時候，托尼·斯塔克因為無法拿到旁邊桌子上的人造心臟而奄奄一息的關鍵時刻，Dum-E弄清楚了托尼的意圖并及時幫助了他，挽救了托尼的生命。托尼抬頭看著Dum-E說到“好孩子”。協作機器人與人類之間建立這種程度的信任或許是目前最困難也是最有價值的目標了。