好機器人是什麼樣的？為機器人評估設定統一標準

「robot」這個單詞源於 1920 年的捷克戲劇，故事的結尾機器人控制了工廠消滅了人類。但 Aaron Dollar 對未來的人機關係卻很樂觀，他的辦公室牆上就貼著羅薩姆萬能機器人（Rossum"s Universal Robots）的海報。

他將機器人視為日常生活中的助手，的確，機器人可以幫助我們整理桌子、安裝新的書櫃。但是機器人如何在凌亂的家裡工作（家裡會有傢具等其他物品）？這還是一個需要全球機器人專家通力合作去解決的難題。第一步，我們需要為機器人的工作效果制定一個統一的標準。

Yale-CMU-Berkeley Object and Model Set（簡稱 YCB Set）旨在為全世界的機器人實驗室提供一種通用標準，外表上看是只是一個手提箱模樣的盒子，盒子容納了 77 種物品：鎚子、無繩電鑽、一罐午餐肉和測試九孔樁的工具等。儘管看起來非常普通，這些經過精心策劃的家庭用品可能是一種機器人新標準的未來。

Dollar 是機械工程和材料科學的副教授，兩年前他提出可以在機器人研究中加入一些具有普遍性和特殊性的操作任務。比如讓機器人用手抓鎚子。不過當其他機器人實驗室想重複這個實驗時，該選擇多大的鎚子呢？這時 YCB Set 就給我們提供了統一的標準——請使用盒子里那把 23.45 盎司斯坦利鎚子進項行測試吧！

除了這些測試物品之外，這個項目還提供了五個示例的任務（例如將水從壺倒進到杯子、布置桌面）和每個任務的完成標準。該項目的網站還允許其它實驗室提供他們自己的實驗及結果，要用來對原有的任務進行擴充。Dollar 認為，當實驗室完全按照自己的標準測試時，往往不能正確的認識到自己的特長和短板。標準一旦統一，就將成為一種更客觀的評估方法。

YCB Set 在機器人領域的瓶頸時期出現。所謂瓶頸，就是說機器人只能在固定的環境中表現非常好，比如在工廠里，只需要重複某些動作的時候。目前，機器人在相同的環境里重複同樣的動作這方面已經表現得非常好了。Dollar 認為：在固定的外界條件下，機器人總是在相同的地方看著相同的東西重複相同的動作。這隻要編程就可以完成，而且可以完成得相當不錯。然而對 Dollar 和其他機器人專家而言，讓機器人有自己思考才是更是具有挑戰性的工作。

機器人抓住了電鑽 來源：耶魯大學

機器人社區的人們正在嘗試開發可以在日常環境和家庭中工作的機器人，他認為，這與之前的流水線式工作截然相反。

長期以來，標準都是科學進步中至關重要的一部分。直到十九世紀，世界上各個地方的時間才有了統一的標準（原子鐘是世界上已知最準確的時間測量標準）。幸而有了世界標準時間，我們才能很順利地使用上個人 GPS 系統和無人駕駛汽車。之前的幾個世紀，人們只用手和腳來測量東西的長度和高度，生活十分不便。國際重量和測量委員會在巴黎的氣候控制庫中存儲了一些金屬棒，給出了世界上統一的度量標準，每個金屬棒都是測量單位的承載體。近幾年，這些金屬棒已經被更精確的測量標準所取代，新的測量標準是在光速基礎上建立的，原子鐘在其中又起到了不可忽視的作用。

當我們對機器人的要求有了進一步的提高，而不是僅僅滿足於流水線式的工作時，事情就變得複雜起來。例如，Dollar 所致力於的機器人控制和抓握研究。對於人類來說，拿起一個叉子再用它進食是一件再簡單不過的事情了，但對於機器人來說就可沒有那麼容易。為了開發這樣的機器人，各個實驗室需要一個統一的標準來進行定量測試，而不是只忠於自己的測量標準。可以這麼說，77 項目盒在機器人技術中的地位是與巴黎金屬庫或原子鐘不相上下的。同時，它還可以促進各個實驗室之間的交流，推動這個領域的發展。

對於一個機器人實驗室來說，想在通過控制機器人去房子周圍找一樣東西是非常簡單的。然而只有對各個實驗室的結果進行比較，才能進一步推進研究。這時 YCB Set 就有了用武之地。

Dollar 說，當我們有一個新的想法時，希望可以通過測試來了解它的工作原理。量化評估後，就可以得到與其他的方法相比的結果，來進一步了解新方法的效果。當然也可以進行其他標準化的測試，但是我們目前並沒有獲得 YCB Set 的測試授權。

機器人學家認為，正因為這個領域之前並不複雜，所以標準的重要性沒有體現出來。但現在的情況與之前截然不同。需要多方合作來開發一個機器人，一個統一的標準就顯得至關重要了。

哈佛大學工程學院 Robert Howe 教授認為，當機器人走出實驗室，進入到日常生活中，想要了解它的特長和局限就非常麻煩了。在工廠里，外部環境都是設定好的，測試是很容易的一件事。但是如果外部環境換成了家裡雜亂無章的廚房，這時應該如何測試機器人呢？所以說 Aaron 的研究是十分有前景的。

鍋和鏟子是家裡常見的工具，這裡為機器人實驗室提供測試標準。它們的不同形狀和大小可以反應機器人的能力。來源：耶魯大學

Howe 指出，即使是看似簡單的抓取動作也需要非常先進的技術。首先，需要對手和手臂進行設置，防止它們碰到其他東西，要嚴格控制與外界的接觸。然後，將這些協調元素囊括到一個系統里，還要保證它的反應足夠快足夠實用。Howe 的實驗室致力於觸覺感測，這項工作還可能需要計算機視覺方面的專家加入。

他說，這就是 YCB Set 的精髓所在，在實驗室里就可以對機器人完成任務的情況進行測評，不同實驗室之間就可以互相比較。

Dollar 有了這個想法後，他請來了他在機器人社區的兩個前同事，一個是來自卡內基·梅隆大學的 Siddhartha Srinivasa 博士，另一個是加州大學伯克利分校的 Pieter Abbeel 博士。2014 年，Berk Calli 來到耶魯，Dollar 讓 Berk Calli 在自己的實驗室做博後，負責該項目。Calli 認為，機器人技術測試的可重複性差一直是一個公認的問題。演算法那麼多，沒有人知道針對某一個具體問題哪一個演算法是最優的，在不知道演算法的可行性之前，工作就沒法繼續下去。一篇論文比較了不同實驗室的兩種演算法就已經很少見了。在機器人性能的量化和比較中，如果可以通過一個統一的標準來得到五個或十個組的結果，將是一個非常大的突破。在這之前，還從來沒有人做過這方面的工作。

理想情況下，YCB Set 將獨立承擔實驗。提供的物品和示例任務只是一個開始。機器人控制領域研究進展迅速，涵蓋了大部分的科技熱點和研究方法，所以 Dollar 和他的團隊所提供的任務只是一個示範。在 YCB Set 的網站上，研究團隊為其他實驗室提供了一個框架，以便其他實驗室提供自己的控制測試方法和標準。研究人員可以在這裡看到來自其他實驗室的實驗方法和結果，並且有一個專門的論壇進行討論。

Dollar 說，這樣做的主要目的是讓其他研究人員提出自己的思路，讓其他人也可以去了解、利用他們的方法，」

玩具飛機是機器人編程測試的任務之一。來源：耶魯大學

為了正確地選擇 YCB Set 中的測試物品，研究人員查閱了許多機器人的相關論文，以了解操作測試中最常用的測試點有哪些，甚至去商店尋找更多的靈感。Dollar 說，這個項目的特點之一就是可以引起大家的研究興趣，」。

目前，每套 YCB Set 的售價是 350 美元。其中所選擇的都是非常耐用而且短時間之內不會有太大變化的物品，同時也可以降低成本。

所選擇的物品大致分為以下幾類，例如，穀物盒、桶裝薯片和午餐肉罐頭等。工具有小釘子、木塊、一個無繩的鑽子。Dollar 說，所選物品尺寸各異（最小的是墊圈，最大的是水壺）。有些物品的形狀比較容易抓握，有些物體的形狀複雜，對機器人手就會有更大的挑戰性。

YCB Set 中還包括一些需要完成拆裝的測試品，比如，有一种放置了木質立方體的盒子、可組裝和拆卸的玩具飛機、各種樂高積木。該套件還配有一個數字計時器，用於測量某些任務的執行速度。

為了使實驗順利進行，找到測試品，完成 YCB Set 的物品組合還遠遠不夠，Dollar 需要說服其他實驗室都來使用。他和他的同事一直忙於在國際機器人會議上介紹 YCB Set。YCB Set 在 2015 年 5 月的 IEEE 國際機器人和自動化會議（ICRA）上首次亮相，Dollar 說，反應非常熱烈，他們大約收到了 50 套 YCB Set 的請求。這些 YCB Set 早已打包好，研究人員可以訂購整套，這些 YCB Set 將被送到他們的實驗室。目前世界上約有 100 個機器人實驗室有 YCB 套件。

「我們希望得到儘可能多的幫助，因為這是讓它繼續使用下去的唯一的方式。」Dollar 說

南佛羅里達大學計算機科學與工程系副教授 Yu Sun 說，他的實驗室是所有收到 YCB Set 中「最幸運的實驗室」之一。今年十月份，他在韓國舉辦了國際性的智能機器人大會。在握手比賽上之前，他已經利用 YCB Set 已經收集到了一些數據。

他說：「在機器人測試中，如果不能保證物理環境相同，所得到的數據就失去了意義。使用的 Aaron Dollar 的 YCB Set，就能保證測試條件相同，所以其他研究者也可以將我們的數據應用到他們的演算法中去。」

本文載於2016年11月18日 phys.org 網站，標題為：A new standard in robotics。

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