物理AI在機(jī)器人領(lǐng)域的興起

隨著工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷變化和發(fā)展，人工智能 （AI） 與機(jī)器人技術(shù)的集成預(yù)示著一個(gè)效率、適應(yīng)性和協(xié)作性的新時(shí)代。這種被稱(chēng)為“物理 AI”的先進(jìn)技術(shù)強(qiáng)大融合使機(jī)器人能夠以以前認(rèn)為不可能的方式感知、學(xué)習(xí)物理世界并與之互動(dòng)。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師和機(jī)器制造商來(lái)說(shuō)，了解物理 AI 的當(dāng)前和未來(lái)影響對(duì)于保持創(chuàng)新的領(lǐng)先地位至關(guān)重要。

了解物理 AI

物理 AI 一詞是指 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，這些技術(shù)使機(jī)器人具有類(lèi)似人類(lèi)的能力來(lái)感知和響應(yīng)其物理環(huán)境。與預(yù)先編程并按照一組預(yù)定指令運(yùn)行的傳統(tǒng)機(jī)器人不同，支持 AI 的機(jī)器人能夠做出實(shí)時(shí)明智的決策，適應(yīng)、調(diào)整和從它們的交互中學(xué)習(xí)。

這是一項(xiàng)令人難以置信的技術(shù)突破，有可能徹底改變?cè)S多不同的行業(yè)和部門(mén)。而且，根據(jù)優(yōu)傲機(jī)器人創(chuàng)新和戰(zhàn)略副總裁 Anders Beck 的說(shuō)法，它的影響可能在制造和物流領(lǐng)域最為顯著，從而為許多行業(yè)帶來(lái)切實(shí)的改進(jìn)。

“物理 AI 使機(jī)器人不僅可以執(zhí)行預(yù)編程的指令，還可以獲得學(xué)習(xí)、適應(yīng)和根據(jù)其感官輸入做出明智決策的能力，”他斷言。“這一進(jìn)步對(duì)于使機(jī)器人能夠在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中處理復(fù)雜任務(wù)至關(guān)重要，從而減少了人工干預(yù)的需求并提高了運(yùn)營(yíng)效率。”

重塑進(jìn)步

Beck 指出了許多與物理 AI 相關(guān)的最新進(jìn)展，這些進(jìn)展目前正在完全重塑工業(yè)機(jī)器人技術(shù)：

增強(qiáng)的感知能力 – AI 驅(qū)動(dòng)的視覺(jué)系統(tǒng)使機(jī)器人能夠在多種不同條件下識(shí)別物體并與之交互。傳統(tǒng)的視覺(jué)系統(tǒng)通常需要高對(duì)比度和可重復(fù)的形狀才能正常工作。基于深度學(xué)習(xí)的視覺(jué)系統(tǒng)能夠適應(yīng)照明、表面光潔度和物體方向的變化。Beck 指出：“深度學(xué)習(xí)視覺(jué)系統(tǒng)使我們能夠?qū)⑦@種可變性訓(xùn)練到單個(gè)模型中，因此它可以處理一系列環(huán)境變化。

高級(jí)路徑規(guī)劃 – 事實(shí)證明，集成 AI 加速器（例如 NVIDIA 的 Isaac Manipulator 的 cuMotion 規(guī)劃器）可以顯著改善路徑規(guī)劃，使機(jī)器人能夠在復(fù)雜環(huán)境中有效地規(guī)劃軌跡，提高 CNC 機(jī)器看護(hù)和裝配等任務(wù)的速度和精度。

從人類(lèi)演示中學(xué)習(xí) – 強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)使機(jī)器人能夠通過(guò)觀察人類(lèi)動(dòng)作來(lái)學(xué)習(xí)復(fù)雜的任務(wù)。事實(shí)證明，這種能力在裝配等應(yīng)用中非常有益，機(jī)器人可以模仿人類(lèi)動(dòng)作來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，而無(wú)需預(yù)先編程。

對(duì)設(shè)計(jì)和機(jī)器制造商的影響

鑒于物理 AI 的變革能力，毫無(wú)疑問(wèn)，它的推出將反過(guò)來(lái)改變?cè)O(shè)計(jì)工程師和機(jī)器制造商的角色。由于 AI 驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人可以處理工程師經(jīng)常承擔(dān)的許多復(fù)雜任務(wù)，因此可以騰出時(shí)間，從而專(zhuān)注于磨練機(jī)器人行為和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

UR10e 協(xié)作式機(jī)器人通過(guò)模仿人類(lèi)作員，徹底改變了粉末噴涂工藝。
照片：Sandra Jelisavcic Villadsen;優(yōu)傲機(jī)器人。

“AI 通過(guò)處理運(yùn)動(dòng)和 I/O 的逐行編程，正在改變?cè)O(shè)計(jì)工程師和機(jī)械工程師進(jìn)行機(jī)器人開(kāi)發(fā)的方式，”Beck 說(shuō)。“這種方法使工程師能夠?qū)Ｗ⒂谥笓]更高級(jí)別的機(jī)器人行為以成功完成任務(wù)。”

Beck 繼續(xù)說(shuō)道，對(duì)于機(jī)器制造商，AI 增強(qiáng)的機(jī)器人技術(shù)為創(chuàng)建更靈活、適應(yīng)性更強(qiáng)的自動(dòng)化解決方案提供了機(jī)會(huì)。然而，他警告說(shuō)，集成這些技術(shù)會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，包括需要 AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)方面的新專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

“機(jī)器制造商在用戶(hù)級(jí)別構(gòu)建機(jī)器時(shí)需要學(xué)會(huì)利用 AI 功能，”他說(shuō)。“這可能需要他們獲得 AI 技術(shù)技能，以便適應(yīng)，并在技術(shù)層面上訓(xùn)練和使用 AI。”

實(shí)際行業(yè)應(yīng)用

Beck 強(qiáng)調(diào)，盡管各行各業(yè)在物理 AI 的潛在用途和應(yīng)用方面仍處于接近轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)以多種方式展示了其變革潛力：

AI 驅(qū)動(dòng)的計(jì)量 – 在 NVIDIA GTC 大會(huì)上，3D Infotech 展示了使用優(yōu)傲機(jī)器人的 UR3e 協(xié)作式機(jī)器人掃描工件并將其與 CAD 模型進(jìn)行比較的動(dòng)態(tài)計(jì)量，同時(shí)預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確之處，從而提高質(zhì)量控制過(guò)程的精度。

用于 CNC 看護(hù)的生成式 AI – T-Robotics 最近展示了令人印象深刻的 GenAI 驅(qū)動(dòng)的 CNC 看護(hù)，其中優(yōu)傲機(jī)器人 UR5e 協(xié)作機(jī)器人能夠使用其 ActGPT 解釋 CNC 任務(wù)的自然語(yǔ)言，從而簡(jiǎn)化編程并增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)在加工環(huán)境中的多功能性。

裝配中的強(qiáng)化學(xué)習(xí) – 使用優(yōu)傲機(jī)器人 UR5e 協(xié)作機(jī)器人，愛(ài)克工業(yè)能夠演示強(qiáng)化學(xué)習(xí)裝配，從而使協(xié)作機(jī)器人能夠利用人工智能驅(qū)動(dòng)的技能定位和組裝齒輪。這種方法使機(jī)器人能夠通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)復(fù)雜的裝配任務(wù)，從而提高效率和適應(yīng)性。

雙手動(dòng)裝配 – 通過(guò)利用兩臺(tái)優(yōu)傲機(jī)器人 UR5e 協(xié)作機(jī)器人，Acumino 完善了雙手動(dòng)裝配，協(xié)作機(jī)器人通過(guò)簡(jiǎn)單的觀察來(lái)學(xué)習(xí)復(fù)雜的作，例如電纜處理，從而顯著增強(qiáng)了機(jī)器人系統(tǒng)的靈巧性和協(xié)調(diào)性。

AI 質(zhì)量保證 – AI 驅(qū)動(dòng)的技術(shù)還可用于通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)品和制造過(guò)程中的異常情況來(lái)提高質(zhì)量保證，從而減少浪費(fèi)并顯著提高產(chǎn)品一致性。

提高生產(chǎn)靈活性

Beck 解釋說(shuō)，使用 AI 增強(qiáng)型機(jī)器人帶來(lái)了許多顯著優(yōu)勢(shì)，尤其是在多品種、小批量制造中。他補(bǔ)充說(shuō)，他們感知和響應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界的能力使他們能夠適應(yīng)，從而產(chǎn)生巨大的好處。

“人工智能使機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的零件形狀和尺寸，而無(wú)需進(jìn)行大量的重新編程或夾具，從而實(shí)現(xiàn)靈活的高混合制造。”

這種適應(yīng)性減少了停機(jī)時(shí)間，提高了勞動(dòng)力利用率，使中小型企業(yè)和制造商能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，到目前為止，由于傳統(tǒng)自動(dòng)化解決方案的復(fù)雜性和成本，其中許多企業(yè)和制造商都面臨著障礙。

預(yù)測(cè)性維護(hù)和運(yùn)營(yíng)效率

Beck 繼續(xù)解釋說(shuō)，AI 的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了任務(wù)執(zhí)行的范圍，還包括預(yù)測(cè)性維護(hù)和運(yùn)營(yíng)效率。通過(guò)收集和處理運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，AI 驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)可以隨著時(shí)間的推移不斷提高機(jī)器人性能，估計(jì)所需的維修間隔。

優(yōu)傲機(jī)器人 UR20 的效果圖。

此外，自動(dòng)異常和質(zhì)量檢測(cè)通過(guò)在潛在問(wèn)題導(dǎo)致停機(jī)之前識(shí)別潛在問(wèn)題來(lái)提高運(yùn)營(yíng)效率。與預(yù)測(cè)性維護(hù)的目標(biāo)保持一致，這種主動(dòng)方法用于預(yù)測(cè)和防止故障，從而提高正常運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)營(yíng)效率。

物理 AI 在機(jī)器人技術(shù)中的未來(lái)

展望未來(lái)，Beck 列舉了物理 AI 的幾項(xiàng)進(jìn)步，這些進(jìn)步將對(duì)工業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)和使用產(chǎn)生重大影響：

視覺(jué)語(yǔ)言動(dòng)作模型 – 視覺(jué)語(yǔ)言動(dòng)作模型的開(kāi)發(fā)使機(jī)器人能夠理解和執(zhí)行以自然語(yǔ)言描述的任務(wù)，從而通過(guò)實(shí)現(xiàn)直觀的通信來(lái)簡(jiǎn)化編程并增強(qiáng)人機(jī)協(xié)作。

機(jī)器人基礎(chǔ)模型 – 機(jī)器人基礎(chǔ)模型為機(jī)器人系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和部署提供了一個(gè)框架，有助于創(chuàng)建適應(yīng)性強(qiáng)且可擴(kuò)展的解決方案，從而加速機(jī)器人技術(shù)在各行各業(yè)的采用。

克服 AI 驅(qū)動(dòng)型自動(dòng)化的障礙

鑒于物理 AI 可以幫助制造商實(shí)現(xiàn)大量增強(qiáng)和改進(jìn)，包括更高的靈活性、精度和效率，Beck 警告說(shuō)，在大規(guī)模采用這些技術(shù)方面仍然存在許多實(shí)際障礙。

“制造商面臨的主要挑戰(zhàn)之一是選擇正確的技術(shù)并引導(dǎo)其集成，”他說(shuō)。“傳統(tǒng)上，使用標(biāo)準(zhǔn)示教器或圖形工具將 AI 整合到基于協(xié)作機(jī)器人的應(yīng)用程序中既具有挑戰(zhàn)性又耗時(shí)，即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師也是如此。

這個(gè)過(guò)程通常涉及大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤，尤其是在將視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)功能集成到傳統(tǒng)工作流程中時(shí)。

Beck 補(bǔ)充說(shuō)，使困難更加復(fù)雜的是，能夠維護(hù)這些技術(shù)的內(nèi)部專(zhuān)業(yè)知識(shí)的稀缺。例如，AI 視覺(jué)系統(tǒng)，尤其是那些不是為易用性而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通常需要高級(jí)配置和維護(hù)。這種復(fù)雜性導(dǎo)致一些制造商求助于利用傳統(tǒng)的夾具方法，這些方法雖然不太靈活，但他們更熟悉，并且更容易使用現(xiàn)有資源進(jìn)行管理。

然后是成本。對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的大量初始投資仍然是那些希望實(shí)施先進(jìn)技術(shù)的人的主要障礙。然而，如果不實(shí)施 AI，傳統(tǒng)機(jī)器人通常需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施，例如夾具、分度系統(tǒng)和安全籠，這同樣會(huì)增加費(fèi)用。

對(duì)于中小型企業(yè)和制造商來(lái)說(shuō)，這些障礙似乎更加明顯。有限的資源和明顯缺乏技術(shù)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的結(jié)合往往會(huì)限制他們投資或試驗(yàn)高級(jí) AI 解決方案的能力。此外，傳統(tǒng)自動(dòng)化對(duì)靜態(tài)環(huán)境的依賴(lài)帶來(lái)了與動(dòng)態(tài)生產(chǎn)環(huán)境相關(guān)的可靠性問(wèn)題，在這些環(huán)境中，頻繁的轉(zhuǎn)換或不規(guī)則是常態(tài)。

人機(jī)協(xié)作：正確完成

Beck 解釋說(shuō)，隨著機(jī)器人變得越來(lái)越智能和自主，確保與人類(lèi)的安全無(wú)縫協(xié)作變得越來(lái)越重要。他補(bǔ)充說(shuō)，幸運(yùn)的是，AI 不僅為機(jī)器人動(dòng)作提供動(dòng)力，還有助于提高態(tài)勢(shì)感知和適應(yīng)性。

AI 驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人配備了先進(jìn)的感知能力，能夠檢測(cè)和響應(yīng)人類(lèi)的存在，從而在工廠(chǎng)車(chē)間實(shí)現(xiàn)更安全的交互。此外，Beck 說(shuō)，如果利用得當(dāng)，智能自動(dòng)化還可以通過(guò)處理單調(diào)但對(duì)認(rèn)知要求很高的任務(wù)來(lái)補(bǔ)充人類(lèi)勞動(dòng)，使工人能夠?qū)Ｗ⒂谄渌蝿?wù)，從而提高生產(chǎn)力和效率。

面向未來(lái)的員工隊(duì)伍

Beck 斷言，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師和機(jī)器制造商來(lái)說(shuō)，跟上這些進(jìn)步的步伐意味著投資于新的技能組合。事實(shí)上，他認(rèn)為，持續(xù)學(xué)習(xí)和技能的持續(xù)發(fā)展可能是任何在這些學(xué)科中工作的人未來(lái)可以為自己提供的最大優(yōu)勢(shì)。

“AI 在工業(yè)自動(dòng)化中的興起帶來(lái)了巨大的機(jī)會(huì)，”他斷言。“但要讓你的職業(yè)生涯面向未來(lái)，你需要對(duì) AI、機(jī)器學(xué)習(xí)和支持軟件平臺(tái)有深入的理解。”

所需增長(zhǎng)的關(guān)鍵領(lǐng)域包括：

• AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)，包括深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺(jué);

• 機(jī)器人編程環(huán)境，如 Universal Robots 的 PolyScope X 和 NVIDIA 的 Isaac SDK;

• 傳感器技術(shù)，特別是 3D 相機(jī)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集成的使用;

• 模擬和數(shù)字孿生，允許在虛擬環(huán)境中訓(xùn)練和測(cè)試 AI 模型;

• 人機(jī)交互和安全設(shè)計(jì)，隨著協(xié)作機(jī)器人在共享工作空間中越來(lái)越普遍，這代表著越來(lái)越重要的焦點(diǎn)。

Beck 強(qiáng)調(diào)，接受持續(xù)學(xué)習(xí)的概念并緊跟新興技術(shù)（從生成式 AI 到機(jī)器人基礎(chǔ)模型）的工程師將很好地定位自己，引領(lǐng)下一波自動(dòng)化創(chuàng)新。

建立在協(xié)作基礎(chǔ)上的未來(lái)

很明顯，由于實(shí)施物理 AI，工程師和機(jī)器制造商可以負(fù)擔(dān)得起的能力是巨大的。同樣明顯的是，通過(guò)克服實(shí)施障礙，他們將能夠釋放智能機(jī)器人和自動(dòng)化的全部潛力。此外，通過(guò)啟用正確的技術(shù)、與 AI 領(lǐng)導(dǎo)者建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系以及日益重視易用性，各行各業(yè)正在穩(wěn)步朝著更易于訪(fǎng)問(wèn)和適應(yīng)性更強(qiáng)的自動(dòng)化方向發(fā)展。正如 Beck 指出的那樣，那些弄清楚作為智能自動(dòng)化基礎(chǔ)的協(xié)作部分的人將蓬勃發(fā)展，獲得其全部好處。

“最終，工業(yè)機(jī)器人的未來(lái)將取決于人類(lèi)和 AI 驅(qū)動(dòng)的機(jī)器如何有效地學(xué)習(xí)協(xié)同工作。對(duì)于制造商、工程師和機(jī)器制造商來(lái)說(shuō)，未來(lái)的旅程不僅意味著技術(shù)創(chuàng)新，而且還意味著工作本身的重新構(gòu)想，以實(shí)現(xiàn)更智能、更協(xié)作、更人性化的目標(biāo)。