机器人初创公司可以从计算机革命中学到什么 | 智能技术

发布日期:2019-10-22 10:00
在寻找杀手级应用程序的过程中,机器人公司应该关注计算机的惊人发展。


图片:(机器人材料公司)Robotic Materials Inc.

自主机器人正在慢慢地出现。我们已经有了自动吸尘器,自动割草机,会自己发出哔哔声和自动眨眼睛的玩具,还有(可能)很快就会有自动汽车。然而,一代又一代,我们一直在等待我们从电影和电视节目中都期待的人工智能机器人。相反,企业似乎离机器人越来越远,这是一些能够通用的、能为人体解剖作的硬件以及能完成各种各样任务的机器人。

尽管这些是我们一直在寻找这些机器人,但任何接近它们的东西,如Willow Garage的PR2或Rethink Robotics的Baxter,都已一蹶不振。随着建立一家机器人公司变得特别困难,将商业风险与技术风险结合起来,这一趋势从销售机器人发展到销售实际服务,如修剪草坪、提供出租车、履行零售订单或按磅采摘草莓。不幸的是,对于r2-d2和c-3po的爱好者来说,这些商业模式强调的是专门的、房间大小或冰箱大小的硬件,这些硬件是为一项非常具体的任务而优化的,但对通用机器人平台没有贡献。

实际上,我们在个人电脑(PC)行业也看到了类似的情况。在20世纪50年代,尽管计算机和整个房间一样大,而且只能供少数人使用,但公众已经对计算机的外观有了很好的了解。在此期间,长尺寸的虚拟电脑也开始充斥主流娱乐。1962年《纽约时报》发表了一篇题为《用掌上电脑取代购物清单》的文章,富有远见的科学家约翰·莫奇利(john mauchly)表示,“没有理由认为普通的男孩或女孩不可能精通个人电脑。”

1968年,道格拉斯·恩格尔巴特给了我们“所有演示的起源”,在图形屏幕和鼠标上浏览超文本,以及其他几十年后才成为标准的想法。现在,我们终于看到了所有这些,研究究竟是什么使计算革命能够了解机器人技术真正在哪里,以及我们下一步需要做什么,可能会有帮助。

计算机与机器人的相似性
上世纪70年代,大型机即将被价格低于25000美元(2019年为165000美元)的新型微型计算机、冰箱大小的计算设备所取代。这些计算机不使用穿孔卡片,但可以用Fortran和Basic编程,极大地扩展了创建潜在应用程序的便利性。然而,在需要快速高效处理大量数据的应用中,小型计算机能否完全取代大型主机,更不用说进入每个用户的家中了,目前还不清楚。这与现在的机器人产业非常相似,自20世纪60年代以来就存在的大型工厂机器人(大型机)正面临着来自协作机器人产业的竞争,协作机器人可以安全地在人类旁边工作,并且可以很容易地安装和编程(微型机)。与70年代一样,这些设备的应用程序达到了与豪华车相当的系统价格,这是相当有限的,很难想象它们会成为一种消费品。

然而,与计算机行业一样,成功的体系结构正在迅速被克隆,从而压低了价格,而关于如何构建或编程机器人手臂的全新方法也在不断涌现。自动手推车、机器人手爪和传感器的制造商也加入了武器制造商的行列。这些组件可以组合在一起,为遵循IBM PC模型的标准通用平台铺平了道路,IBM PC构建了一个尽可能依赖于商品部件的功能强大、开放的体系结构。

通用机器人系统之所以没有成功,与通用计算机(也称为“个人计算机”)花了几十年才出现的原因相似。大型机是为每个应用程序定制的,而打字机变得越来越智能,并没有真正为通用计算机留出空间。事实上,考虑到硬件成本和当今自主机器人相对较小的能力,建造一台专用机器几乎总是比试图使协作移动机械手智能化更聪明。

当前的一个例子是电子商务杂货店的实现。目前的趋势是为一个微型履行中心保留一个实体店未充分利用的部分,该中心通过一个自动检索系统和一个(人工)采摘器将货物储存在小板条箱中。一些初创公司,如Alert Innovation、Fabric、Ocado Technology、Takeoff Technologies和Tompkins Robotics,仅举几个例子,最近就筹集了数亿风险投资,以建立与机器人实现中心相当的大型机。与之形成鲜明对比的是一个机器人拣货机,它会通过过道来补充货物并从货架上拣货。这样一个机器人商店的店员将更接近我们对通用机器人的设想,但需要许多自己的复制品,挤满过道,才能像一个微型仓库那样每小时生产数百个订单。虽然最终效率更高,但零售业的利润率已经很低,这使得这个行业不太可能产生我们需要的技术飞跃,让友好的C-3PO在走廊上驻扎。

通用机器人系统之所以没有成功,与通用计算机(也称为“个人计算机”)花了几十年才出现的原因相似。大型机是为每个应用程序定制的,而它的打字机变得越来越智能,并没有真正为通用计算机留出空间。事实上,考虑到硬件成本和当今自主机器人相对较小的能力,制造一台专用机器几乎比试图做协作移动机械手更智能化。

当前的一个例子是电子商务杂货店的实现。目前的趋势是为一个微型履行中心保留一个实体店未充分利用的部分,该中心通过一个自动检索系统和一个(人工)采摘器将货物储存在小板条箱中。一些初创公司,如Alert Innovation、Fabric、Ocado Technology、Takeoff Technologies和Tompkins Robotics,仅举几个例子,最近就筹集了数亿风险投资,以建立与机器人实现中心相当的大型机。与之形成鲜明对比的是一个机器人拣货机,它会通过过道来补充货物并从货架上拣货。这样一个机器人商店的店员将更接近我们对通用机器人的设想,但需要许多自己的复制品,挤满过道,才能像一个微型仓库那样每小时生产数百个订单。虽然最终效率更高,但零售业的利润率已经很低,这使得这个行业不太可能产生所以我们需要的技术飞跃,让友好的C-3PO在商店走廊上驻扎。


最近,初创企业已经筹集了数亿风险投资,以建立与机器人实现中心相当的大型机。与之形成鲜明对比的是一个机器人拣货机,它可以通过过道来重新进货和从货架上拣货,并且更接近我们对通用机器人的设想。

大型机也受到了深层的攻击。对新数字技术的迷恋导致了一场爱好者运动,他们发明了通过邮购或无线电黑客销售的微型计算机。最初,大量的小企业销售数十台,最多数百台设备,通常是带有一个工具包和木制外壳。这一趋势最终形成了“1977三位一体”的形式,苹果II,Commodore宠物,和坦迪TRS-80,完整的计算机销售价格约2500美元(TRS)至5000美元(苹果)在今天的美元。这些电脑的主要应用是它们的可编程性(在basic中),这将使消费者能够“学会绘制你的生物节律,平衡你的支票账户,甚至控制你的家庭环境”,根据一则苹果公司的原始广告。类似地,有无数的小玩意探索机器人技术的不同方面,如移动、操纵和娱乐。

与刚刚起步的个人计算行业一样,广告中的功能充其量只是真实交易的一个模型。现在娱乐机器人领域一个著名的里程碑是索尼的Aibo,一种机器人狗,它被宣传拥有许多特性,比如发展自己的个性,玩玩具,和主人互动。该平台于1999年发布,并于2018年重新推出,在喜欢其可编程性的爱好者和学者中拥有稳固的追随者,但可能只有极少数用户接受该设备作为宠物替身。

也有无数的“建立自己的机械臂”套件。其中一个比较成功的例子是Uarm,售价约为800美元,它的广告是执行挑选和放置、组装、3d打印、激光雕刻和许多其他听起来像高价值应用程序的东西。使用令人信服的机器人在受限环境中实际做这些事情的视频,获得了两次成功的群众资助活动,并将机器人确立为一个成功的教育案。

最后,还有一些平台允许业余程序员探索移动性,以构建在您家中巡逻、交付物品或为用户提供远程呈现能力的机器人。一个例子就是《迷雾II》。与最初的Apple II非常相似,硬件价格和可用应用程序的逼真度之间仍然存在着脱节。

对于计算机来说,随着1979年第一个电子表格软件Visicalc的发明,这种脱节开始消失。Visicalc在1979年从哈佛大学(Harvard)诞生,并促使许多人购买一台完整的微型计算机来运行这个程序。Visicalc很快被Wordstar(一种文字处理应用程序)加入,以今天的美元计算,它的售价接近2000美元。Wordstar也会吸引很多人购买整个硬件只是为了使用软件。这两个程序是被称为“杀手级应用程序”的早期例子。

随着工厂自动化技术的成熟,以小型机为价格标签的机器人能够自由驾驶和执行许多操作任务。机器人工业在某种程度上是个人电脑工业在1973年之间的产物。施乐(Xerox)Alto的发布,它是第一台具有图形用户界面的计算机,鼠标,特别软件,1979年,5000美元以下的微型计算机开始起步。

机器人杀手级应用
那么,机器人技术要像计算机一样继续发展,需要什么呢?市场本身已经很好地提炼出了哪些可能是杀手级的应用程序。风投和客户都在推动那些有着远大目标的公司,将他们的产品缩减为一个简单的价值主张。因此,从两端起步的公司往往会汇聚到彼此的镜像中,提供非常相似的自动推车、垃圾箱、拣选、码垛、卸垛或分拣解决方案。这些公司中的每一家通常为单个垂直应用程序提供服务,例如箱子拣衣服、运输仓库货物或按磅拣草莓。他们正试图证明他们的特定技术是有效的,而不会让自己变得过于单薄。

这些公司很少真正起飞。一个例子是Kiva系统,它变成了亚马逊的物流机器人部门。Kiva和其他公司围绕着以众所周知的用户需求为基础的声音价值主张而构建。然而,由于这些解决方案是非常专业的,因此不太可能产生任何规模经济,其规模与早期为其昂贵的小型计算机购买电子表格和文字处理器应用程序的计算机用户所能享受的规模经济相同。使这些机器人解决方案更有趣的是当功能变得可堆叠时。这三种技能可以结合起来,对整个过程进行建模,而不仅仅是用相同的硬件来完成拣箱、码垛和运输。

组装机电一体化部件的能力然而很少有初创企业涉足,而且在历史上一直由大型机拥有,相当于机器人技术是简单机电设备的组装。组装机电一体化部件的能力相当于如更换灯泡、更换遥控器中的电池,或照看像杠杆式浓缩咖啡机这样的机器执行的任务,这些任务将涉及使用一台机器自动执行完整的工作流程,最终导致所有部门的工业生产力爆炸。例如,从垃圾箱中取出一件物品,将其放置在机器人上,将其移到别处,然后将其放入架子或机器中,这一过程同样适用于制造环境、零售商店或某人的厨房。

尽管上面的许多应用程序已经成为可能,但是如果没有附加的组件来提供他们自己的“杀手级应用程序”价值,仍然很难让一个平台起步。有趣的例子是Rethink Robotics或Robot Operating System(ROS)。Rethink Robotics的Baxter和Sawyer Robots开创了一个伟大的用户体验(比如1973年的施乐Alto,真正的第一台PC),但它的应用很难扩展到简单的拣选和放置、码垛和卸件。

ROS开创了进程间通信软件,它适应了机器人的需求(多台计算机,不同的编程语言)和机器人软件模块化的思想,但在缺乏通用硬件平台的情况下,还没有交付一个应用程序,例如导航、路径规划或抓取,它的性能超过了研究级的演示级别,并且在开发人员转向生产系统时不会被丢弃。与此同时,越来越多的机器人设备,如提供智能功能的机器人手臂或三维感知系统,提供了其他方式将它们连接在一起,而不需要中间计算机,同时保持对硬件实时方面的密切控制。


图片:Robotic Materials Inc.

西门子机器人自主、基于视觉和力的装配的学习挑战赛。

在我的公司Robotic Materials Inc.里,我们已经在识别一些应用程序方面取得了长足的进步,比如拣箱和组装,通过将机器学习和优化与直观的用户界面结合起来,使它们可以通过单击一次就可配置。在这里,用户可以定义对象类,以及如何使用web浏览器来掌握它们,然后在特定于机器人的图形编程语言中,Web浏览器显示为一级对象。我们还为Assembly做了这项工作,允许用户通过简单地拖放适当的命令来堆叠基于感知的Picking和基于Force的Assembly原语。

虽然这样的方法可能会回答定价在“微型计算机”范围内的机器人杀手级应用程序的问题,但尚不清楚如何用低于-5000美元的机器人生成杀手级应用程序类型值。一个可能的答案是两方面的:首先,随着低成本武器、移动平台和娱乐设备的不断改进,技术准备和用户创新的融合,就像苹果II和VisicalC一样,最终将实现。例如,将Misty变成家庭安全系统、将UARM变成低成本的拣箱系统、或将类似Aibo的设备变成老年人或自闭症儿童的治疗系统,这些都不需要太多创新。

其次,机器人及其部件必须大幅降低成本。事实上,计算机的价格呈指数下降,计算能力呈指数增长,这在很大程度上要归功于摩尔定律。这一发展也帮助了机器人技术,使我们能够在移动和操作方面取得突破,因为我们能够实时处理大量图像和深度数据,我们可以期待它继续这样做。


图片:Robotic Materials Inc.

机器人材料GPR-1将MIR-100自动推车与UR-5协作机械臂、机器人力/扭矩传感器和机器人材料智能手结合起来,执行开箱移动装配、拣仓、码垛和卸垛任务。


机器人有摩尔定律吗?
然而,有人可能会问,机器人作为一个整体,包括其所有的马达和齿轮,如何可能有类似的动力学,以及机器人行业的“摩尔定律”是什么样子的。在这里,我们要记住摩尔定律的永存并不是原因,而是个人电脑革命的结果。事实上,第一个用于记账、编辑和游戏的杀手级应用程序非常好,它们释放了巨大的消费者需求,一次又一次地超越了人们认为在物理上可行的基准。(我清楚地记得,在DSL出现之前,56Kbps是铜质电话线的绝对最大数据速率。)

这些规模经济同样适用于机电一体化,这一点在汽车工业中得到了深刻的证明。一个很好的例子就是2020普锐斯Prime,一款高度计算机化的插电式混合动力车,它的价格相当于我公司GPR-1移动机械手的三分之一,同时它的数量级更为复杂,配备了一台电动机、一台内燃机以及无数的传感器和计算机。因此,一旦机器人技术享受到类似的大众市场吸引力,很有可能生产出一种零售价为现代汽车十分之一的移动机械手。考虑到这些机器人是等式的一部分,积极降低生产成本,这可能会以工业化历史上前所未有的速度发生。

还有一个驱动程序可以使机器人的能力成倍提高:云。一旦一个通用机器人学会了一项新的技能或被编程,它就可以与其他机器人分享。在某种程度上,一个购买机器人的杂货商可能会假设它已经知道如何识别和处理店里99%的零售商品。同样,制造商可以假设机器人可以处理和组装麦克马斯特卡尔和米苏米提供的每一件物品。最后,家庭可以期待机器人知道宜家和陶艺谷仓出售的每一件厨房用品。听起来像是一个劳动密集型的问题,但可能比使用汽车、三轮车和雪地车等为谷歌街景采集视频更容易处理。


因此,一旦机器人技术享受到类似的大众市场吸引力,很有可能生产出一种零售价为现代汽车十分之一的移动机械手。

机器人创业战略
当我们等待这两个趋势越来越好的应用和硬件以降低成本融合时,作为一个社区,我们必须不断探索除了移动、拣箱、码垛、去垛和组装之外的标准机器人应用。我们还必须继续解决阻碍这些解决办法真正全面和有力的根本挑战。

对于这两个问题,研究个人计算机发展中的关键策略可能会有所帮助,这些策略同样适用于机器人技术:

  • 从解决客户的问题开始。不幸的是,他们的问题几乎从来不是他们需要你的传感器、小部件或代码,而是一些已经花费他们金钱或以其他方式对他们产生负面影响的东西。比起用basic编写自己的解决方案,有更多的人在计算税款时遇到问题(并且想购买visicalc)。
  • 根据需要尽可能少地构建自己的硬件。你的商业模式应该比你在硬件上的利润率更高。为什么要冒险?例:如果你能写出最好的打字机应用程序,使它值得为此而购买一台计算机,为什么还要自己制造打字机呢?
  • 如果您的目标是一个平台,请确保它附带了一个杀手级应用程序,这就证明了平台成本的合理性。微型计算机公司来来往往,直到“1977三位一体”与杀手级应用程序电子表格和文字处理器相交。推论:你也可以得到幸运。
  • 使用开放式体系结构,这样可以创建一个生态系统,其他人可以在其中竞争创建更好的组件和外围设备,同时允许其他人将您的解决方案集成到他们的垂直系统中,并将其与其他设备堆叠在一起。示例:Apple II和IBM PC都是完全开放的体系结构,支持许多克隆,从而增加了用户和开发人员的基础。

这是值得追求的。随着大多数业务流程已经数字化,通用机器人将使我们能够填补移动和操作方面的空白,在仅受可用资源和能源数量限制的水平上提高生产力,可能会创造一个乌托邦,在这个乌托邦中,创造力成为最终的货币。也许我们还能得到R2-D2。

尼古拉斯科雷尔是科罗拉多大学博尔德分校计算机科学副教授,他在那里从事移动操作和其他机器人应用。他是Robotic Materials Inc.的联合创始人兼首席技术官,该公司由国家科学基金会和国家标准与技术研究所通过其小企业创新研究(SBIR)项目提供支持。