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機器人能夠多大程度地接近人類(lèi)?



迭代進(jìn)化的乒乓球機器人“FORPHEUS”的開(kāi)發(fā)人員訪(fǎng)談(前篇)




作為歐姆龍核心技術(shù)的體現,乒乓球機器人“FORPHEUS”每年都在不斷升級。

第五代FORPHEUS采用了通過(guò)削球和上旋球回球的先進(jìn)技術(shù)、高精準預測對手打球動(dòng)作的技術(shù),并搭載了適合每一名球員的陪練功能。歐姆龍距離“人機完美默契”所需的“激發(fā)人類(lèi)能力的機器人”的目標又近了一步。FORPHEUS的研發(fā)團隊聚集了5名技術(shù)人員,其中有兩人還是剛進(jìn)公司的新員工。公司希望的研發(fā)時(shí)間是9個(gè)月。下面,我們將近距離了解研發(fā)的經(jīng)過(guò),看一看他們在這段時(shí)間都遇到了什么挑戰,又取得了什么成果。

(成員介紹)

團隊主管 八瀨 哲志 (嵌入式系統研發(fā)中心 無(wú)線(xiàn)與嵌入研究室) (照片中間)

硬件/控制負責人 淺井 恭平 (智能系統研發(fā)中心 AI控制研究室) (左起第二位)

控制負責人 劉 曉俊 (智能系統研發(fā)中心 AI控制研究室) (最左側)

視覺(jué)負責人 中山 雅宗 (傳感研發(fā)中心 圖像傳感研究室) (右起第二位)

視覺(jué)負責人 佐佐木 勇輝 (傳感研發(fā)中心 圖像傳感研究室) (最右側)


挑戰全球首款“如人類(lèi)手肘般活動(dòng)的機械臂”

——據說(shuō)第五代的研發(fā)課題是“KURO-OBI(黑帶)~專(zhuān)業(yè)球員和教練~”。為什么會(huì )確定這樣一個(gè)課題呢?

八瀨:我們研發(fā)FORPHEUS的目的是希望人們通過(guò)體驗來(lái)了解和共同感受歐姆龍力求實(shí)現的“人機完美默契”這一未來(lái)愿景?!叭伺c機械融合”是指人與機械互相學(xué)習,共同成長(cháng)的狀態(tài)。要提高選手的乒乓球能力,就需要根據每一個(gè)人的情況進(jìn)行陪練,為此首先要求FORPHEUS本身就是一位“專(zhuān)業(yè)球員”,而且還要成為一位“專(zhuān)業(yè)教練”。


——要成為“專(zhuān)家”,具體都進(jìn)行了哪些升級?

淺井:我們讓FORPHEUS具備了“削球和上旋球回球”的能力。為此我們需要從硬件上進(jìn)行調整。我們所用的拾取與放置(Pick and Place)※機器人能夠做出向前推動(dòng)球拍擊球的動(dòng)作,但向上揮拍的動(dòng)作不夠,因此我們考慮增加一根軸看看效果,于是我們在關(guān)節上增加了一根軸,從而達到了“如人類(lèi)手肘般活動(dòng)”的效果。

八瀨:除了乒乓球外,拾取與放置的目標是能夠像人手那樣進(jìn)行精細作業(yè)。這意味著(zhù)我們要想辦法在硬件上做到類(lèi)似人類(lèi)肩部到手指的功能,這對我們來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰。

※拾取與放置(Pick and Place)……工廠(chǎng)自動(dòng)化中讓機械臂抓起特定位置的物品并搬運到特定位置的機構


——團隊中有硬件方面的專(zhuān)家嗎?

淺井:新來(lái)的劉曉俊在大學(xué)學(xué)的是硬件,但我們開(kāi)始研發(fā)的時(shí)候他還沒(méi)有加入團隊,那時(shí)候硬件方面基本都是我在做。我是學(xué)信息處理的,硬件設計并不在行,甚至都沒(méi)有接觸過(guò),做起來(lái)非常痛苦。


——那真是不容易啊。哪些方面比較棘手呢?

淺井:市面上有無(wú)數種電機和減速機,要從中選出最合適的非常耗費時(shí)間。電機控制也是,最開(kāi)始只是非常簡(jiǎn)單的動(dòng)作就會(huì )使軸振動(dòng),我們花了一兩周的時(shí)間去查明原因。因為過(guò)去沒(méi)有那種形狀的機械臂。相關(guān)資料也沒(méi)有,我們只能每天反復嘗試并總結經(jīng)驗。

八瀨:除了改善硬件外,如何讓硬件動(dòng)起來(lái)也是一項重大課題。乒乓球是一項需要快速揮拍的運動(dòng)。只有在幾十毫秒,甚至幾毫秒的高精度控制下才能順利揮拍擊球。我們在制作兼顧速度和精度的硬件,以及為大限度發(fā)揮硬件性能設計算法方面耗費了大量時(shí)間。

淺井:例如,乒乓球的上旋球是從下往上揮拍使球旋轉,而向機器人發(fā)送什么指令,讓機器人做出什么動(dòng)作,世界上還沒(méi)有人在進(jìn)行這些研究,如果控制球拍的多軸機械臂是全球首款,那么控制機械臂活動(dòng)的算法也是獨一無(wú)二的。給人的感覺(jué)是我們闖入了沒(méi)有標準答案的世界?;蛟S其他方法也有解,但在有限的研發(fā)時(shí)間內做到現在這一步也算是一種好的方案了。



能夠靈巧揮拍的多軸機械臂,使軸像人的手肘和手腕般活動(dòng)


劉:我和淺井正好相反,我在大學(xué)學(xué)的是機械,進(jìn)公司前沒(méi)有思考和實(shí)施算法的經(jīng)驗。所以花費了非常多的時(shí)間……即便如此也必須得趕在規定的時(shí)間拿出成果。從這種壓力中放松下來(lái)時(shí),我參加了在老家上海舉行的進(jìn)博會(huì ),展出了上一代乒乓球機器人。


——中國是乒乓球的發(fā)源地,觀(guān)眾好像也很?chē)栏癜伞?

劉:他們的要求很高,比如“能不能再打快點(diǎn)?”,“扣個(gè)球看看”。這讓我真實(shí)感受到,如果自己不努力實(shí)施算法就無(wú)法讓他們知道乒乓球機器人的厲害之處,這反而激勵了我?,F在的第五代機器人應該能夠滿(mǎn)足想要“打得更快”的觀(guān)眾。

淺井:第五代機器人在1月的CES上首次亮相,很多人注意到機器人“在拉旋轉球”、“手腕的動(dòng)作有點(diǎn)奇怪”這些細節。在4月的漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上,德國總理默克爾也到現場(chǎng)觀(guān)看,所有的艱辛都化成了喜悅。


研發(fā)團隊在CES2019現場(chǎng)



成為和人類(lèi)一樣具有出色回球能力的機器人

——除了機械臂外,第五代還增加了攝像頭的數量吧?

中山:乒乓球的動(dòng)作富于變化,如果只有一臺攝像頭,就無(wú)法順利拍到需要的動(dòng)作。例如揮拍的時(shí)候,身體會(huì )妨礙攝像頭拍攝手部的動(dòng)作。為此,我們將拍攝人的動(dòng)作的攝像頭增加到了兩個(gè)。

此外,為了判斷人的擊球方向,除了身體的動(dòng)作外,還需要感知人持拍的位置和方向,于是我們又新增加了拍攝球拍的攝像頭。這部分圖像處理由新加入的佐佐木負責。


此次追加的拍攝球拍的攝像頭



——佐佐木有圖像處理的經(jīng)驗嗎?

佐佐木:我在大學(xué)做過(guò)程序設計,但圖像處理還是第一次。首先比較棘手的是拍攝球拍花費了非常多的時(shí)間。

八瀨:在機器人看來(lái),球拍非常小。而且每次展會(huì )的環(huán)境都在變化。燈光環(huán)境各不相同,觀(guān)眾的動(dòng)作和服裝的顏色也大相徑庭。在這樣的環(huán)境中判斷球拍,并為驅動(dòng)系統進(jìn)行調整是很不容易的。


——即便只是聽(tīng)你講,也能想象到難度之大。

佐佐木:不斷追求精度也是首次挑戰。上大學(xué)的時(shí)候做出差不多的東西提交上去就結束了,但現在,如果我制作的數據精度不夠,就無(wú)法有效控制機器人。從未想到制作數據后不斷提高精度的工作是如此耗費時(shí)間。


正在校準攝像頭的佐佐木



中山:根據球拍的標記判斷球拍的方向時(shí),用剛開(kāi)始研發(fā)時(shí)的算法是無(wú)法準確判斷球拍方向的。因此,佐佐木在追求更高的精度,同時(shí)我則修改了算法,以便在數據精度不高的情況下也能判斷擊球方向。

此外,球拍擊球的瞬間,由于球和標記重疊,無(wú)法計量球拍的數據。也就是說(shuō)只有球拍擊球前的數據。我們也嘗試了各種算法來(lái)預測球拍和球的運動(dòng)。經(jīng)過(guò)反復嘗試,我們構建了一個(gè)系統,能夠在各種人和各種持拍方式的情況下或多或少地預測球拍和球的運動(dòng),從而能夠在擊球前高精度地預測擊球線(xiàn)路。我們堅信,機器人事先掌握預測線(xiàn)路后,已經(jīng)能夠近似于人那樣打出高質(zhì)量的回球。


——真厲害。正因為如此才會(huì )在意體驗者的感受吧?

佐佐木:對于觀(guān)眾而言,視覺(jué)方面的研發(fā)成果是容易注意到的。在CES上,有的觀(guān)眾對這部分成果提問(wèn),有的觀(guān)眾拍照,反響很不錯。

中山:我最高興的是聽(tīng)到觀(guān)眾說(shuō)“和去年大不一樣”、“不是改善,而是進(jìn)化”。我覺(jué)得他們能夠很好地理解我們采用的技術(shù)和實(shí)現的功能,并且能夠樂(lè )在其中。


——研發(fā)人員克服艱辛,推出了第五代FORPHEUS。那么,在未來(lái)等待著(zhù)的是怎樣的幸福未來(lái)呢??。ê笃┐m。


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