“从大型主机到个体计算机：机器人产业可以从pc普及革命中学到什么？”

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资料来源: ieee

张睿毅，林苗，钱天培

自律机器人无处不在了。

自动吸尘器、自动割草机、简单交互的小玩具、还有想尖叫的自动驾驶车，都可以认为是能实现任意一种自动功能的机器人。

我们期待着世代交替，出现“星球大战”这样的智能机器人。 但事实上，以人体解剖学为灵感进行硬件设计，完成各种任务，满足“共同”诉求的机器人离我们越来越远。

willow garage的pr2和rethink robotics的baxte等人形机器人，我们一直在研究，实际上，这样的机器人一败涂地。

willow garage机器人

设立机器人企业很辛苦，必须同时考虑商业风险和技术风险。 现在整个行业的趋势是转向销售实际服务，如修剪草坪、提供出租车、完成零售订单和收获草莓英镑。

但这显然不能满足r2-d2和c-3po (星球大战中的机器人)爱好者们的幻想。

r2-d2机器人

上述商业模式强调了制造适合特定任务的房间、冰箱尺寸的专用机器人，而不是神通广大、什么都做不了的通用机器人。

实际上，我们在个人计算机( pc )领域看到了非常相似的迅速发展趋势。 在20世纪50年代，即使计算机像整个房间一样大，也只能同时采用少数特定的人。 但是，公众对电脑的未来抱有幻想。 在此期间，各种对计算机的虚构形象开始进入人们的视线。

约翰茂奇利( john mauchly )在1962年的纽约时报上发表了“用掌上电脑代替购物清单”的文案，有着“将来的孩子一定可以玩弄电脑”的愿景。

1968年，道格拉斯·恩格尔伯特进行了各种演示，包括在图形画面上浏览超拷贝、使用鼠标等。 不到几年，这些示威就变成了现实。

由此，深入探索计算机革命成功的重要因素可能有助于理解机器人技术的迅速发展现状和下一步该如何做。

计算机和机器人的共性

20世纪70年代，大型主机预计将被冰箱那么大的微型计算机取代，其价格低于25，000美元(相当于2019年的165，000美元)。

这些计算机不使用打孔卡，但可以在fortran和basic上编程，因此应用程序的制作变得非常困难。 但是，当时需要迅速有效地解决大量数据的应用，不清楚微型计算机是否会取代大型主机，当然要让微型计算机进入各个家庭。

这和现在的机器人领域很相似。 20世纪60年代兴起的大型工厂机器人(大型主机)感受到了现在急速发展的协调机器人的竞争，这些机器人可以安全地接近人类的工作，同时像小型计算机一样被简单地安装和编程。 在20世纪70年代，这些数量非常有限的设备的应用价格可以与一辆豪华车的系统相媲美，同时很难想象它们会成为费用高昂的产品。

但是，与计算机领域的迅速发展一样，成功的体系结构会迅速克隆，价格会下降。

现在，关于如何构筑、编程机械臂的新方法层出不穷，机械臂制造商和自动推车、机械手、传感器制造商正在合作。 通过组合这些组件，可以为构建像ibm pc模型一样强大、尽可能依赖通用模块开放体系结构的标准通用平台铺平道路。

通用计算机(也称为“个人计算机”)出现花了几十年时间，通用机器人系统也因为同样的理由暂时没有成功。 大型主机是按应用程序定制的。 打字机越来越智能，但不能直接集成到通用计算机中。 事实上，考虑到现在自主机器人的硬件价格及其比较少的功能，与其使协调的移动机器人智能化，不如直接建设专用的机器。

一个现实的例子是电子商务中的商品仓库。 现在的趋势是在物理店铺预约一部分空之间，通过自动搜索系统和(人工)分选机将货物装入小箱子。

alert innovation、ocado technology、takeoff technologies、tompkins robotics等许多创业企业最近为建设与机器人仓库中心同等大规模的主机投资了数亿美元 这个功能与机器分选机相反，后者可以通过走廊从架子上选择和补充行李。

这样的机器人仓库管理员非常接近我们对通用机器人的愿景，但要像真正的小仓库一样每小时执行数百个命令，需要很多机器人。 因为零售业的利润率已经很低了，即使这更有效，在这个领域也很难发生我们需要的技术飞跃，因为搭载了c-3po的机器人已经制造出来了。

大规模的主机也会受到一方的挑战。 对新数字技术的痴迷引领了爱好者运动，包括自己制作微型计算机、邮寄订单和在radioshack上销售。

最初，多家中小企业通常销售数十台、最多数百台设备作为木制盒子组。 这种趋势在以苹果ii、commodore pet、tandy trs-80为代表的“1977 trinity”出现时达到了高峰。 这些完美的电脑售价在今天的2500美元( trs )到5000美元( apple )之间。

这些计算机的第一应用是基于basic的可编程性，有助于客户学习“绘制生物节奏、平衡支票帐户、控制家庭环境”。 同样，也有很多小工具探索机器人技术的各个方面，如移动性、操纵性、娱乐性等。

就像刚开始的个人计算领域一样，广告功能充其量只是实际交易的模式。 现在娱乐机器人技术的里程碑之一是第一家索尼公司的aibo。 这是机器狗，具有真正的狗特征正在普及。 有自己的性格，就玩玩具，和主人交流。

该产品于1999年发布，于2010年重新上市。 喜欢可编程性的爱好者和学者中有忠实的粉丝，但可能只有少数顾客被接受为宠物的替代品。

还有很多其他的uarm等“自己组装机械臂”工具包。 uarm是一个比较成功的例子，价格大约是800美元。 广告可以进行非常有价值的活动，包括物品的出入、组装、3d打印、激光雕刻等。 通过非常引人注目的视频，表明机器人可以在有限的环境中执行这些操作，已经成功地开展了两次云活动，并确立了机器人作为成功的教育工具。

最后，还有编程爱好者可以探索、构筑机器人的移动性，在房子周围巡逻，拿东西，提供网络上的真正能力的平台。 典型的例子是misty ii。 但是，和原来的苹果ii一样，硬件的价格和应用的忠实性之间还有脱节。

对计算机来说，这个脱节在1979年因哈佛第一个电子表格软件visicalc的发明而逐渐消失，多人购买了一台微型计算机整体来执行程序。 visicalc之后出现了拷贝解决方案应用程序wordstar，其售价以今天的美元计接近2000美元。 wordstar也开始有多人购买电脑，只是为了采用这个软件。 这两个应用程序是称为“杀手级应用程序”的初始示例。

随着工厂自动化的发展，与微型计算机同等价格的机器人可以行驶，自动执行多个操作任务。 现在的机器人产业就像1973年到1979年的计算机产业。 1973年发布的xerox alto是第一台具有成像客户界面、鼠标和特定软件的计算机，从1979年开始，微型计算机的价格下降到了5000美元以下。

机器人“杀手级应用”

那么，机器人技术如何像计算机一样持续快速发展呢？

市场的诉求也告诉我们“杀手级应用”是什么样的。 风险投资者和客户经常改造最初有远大目标的企业，侧重于小功能。 这些企业一般提供的产品与自动推车、提货、装货、装卸、分类等处理方案非常相似。 这些企业通常为某个垂直领域提供单一的应用服务，如从箱子里拿衣服、搬运仓库货物、用英镑采摘草莓等。 他们试图说明他们的技术简单高效。

但是，这些企业真的很少长大。 其中一个例子是kiva系统，现在成为亚马逊物流机器人部门。 类似的公司(如kiva )构建在基于客户一般诉求的合理价值之上。 但是，他们的处理方法过于专门化，无法取得大规模的经济效益，客户无法像早期的计算机那样购买昂贵的小型计算机来利用电子表格和复印解决方案服务。 只有在这些功能可以复合的情况下，才能使机器人处理程序更感兴趣，吸引人。 例如，机器人不从箱子里拿东西，装载货物，运输东西，而是用同样的硬件综合三种技能来重建、建模机器人服务功能。

历史上，与机器人同等的大型主机处理了简单的电子机械设备组装问题，但能提供完全处理方案的创业企业很少。 事实上，组装电子机械部件相当于更换灯泡、更换遥控器电池、维护杠杆式意大利咖啡机的部件。 自动执行这些任务意味着可以使用单一机器执行完整的业务流程，最终大大提高了整个行业的工业生产率。 例如，从一个箱子中取出一个物体，将其放在机器人上，搬到另一个地方，放在架子和机器上的完美流程适用于制造业的商业环境、零售店、小厨房。

这些许多应用程序会逐渐变得现实，但如果不能提供“杀手级应用程序”的功能，则不容易构建有价值的应用平台。

rethink robotics的baxter和sawyer机器人最初创造了xerox alto等优秀的客户体验，实际上是第一台pc。 但是，其应用仅限于简单的拾取、加载、卸货等功能，不容易推广到其他行业。

ros基于模块化思想，最初开发了能够应对机器人应用的各种诉求(多台计算机、不同编程语言)的进程间通信软件。 但是，由于缺乏常见的硬件平台，无法实现单个应用程序，如导航、路由规划和捕获。 这个软件的性能超过了研究水平，可以适用于生产环境。 另外，智能化的机器人手臂、3d感知系统等更多的机器人设备没有经由计算机连接，可以实时监视硬件采用新闻。

我再举一个栗子。 在robotic materials中，从箱子中取出东西进行组装等，少数应用程序取得了很大的进展，只需点击即可将机器学习和顾客界面的优化相结合，配置了这个功能。 通过此应用程序，客户可以定义项目类别，定义如何在web浏览器中捕获，并使用特定于机器人的图像编程语言来表达最佳实践。 该流程也应用于装配功能，客户可以通过简单地拖动命令语句，配置基于感知的拾取和基于力的装配功能。

这可能等同于“小型计算机”行业杀手级的应用价值，但不到5000美元的机器人如何获得这样的利益尚不清楚。

有两种处理方法:

一是随着价格低廉的设备、移动平台和娱乐设备的发展，最终融合了苹果ii和visicalc等技术可行性和客户创新。 例如，可以将misty变更为家庭安全系统，将uarm适用于低价的拾取系统，将aibo这样的装置纳入自闭症老人和孩子的治疗系统。

第二，机器人及其组件必须非常便宜。 根据摩尔定律，计算机的计算能力呈指数增长，计算机的价格呈指数下降。 计算机的迅速发展也同样促进了机器人技术的迅速发展，通过实时解决大量图像数据和深度数据的能力，我们在移动性和操作性方面取得了突破性的进展，同时认为这种现象还会继续下去。

机器人技术有摩尔定律吗？

对整个机器人(包括所有的电机和齿轮)来说，可能会有人问，如何具有类似的动力学特征，机器人领域也有“摩尔定律”？

要知道摩尔定律的持续性不是pc革命的原因，而是结果。 计算机行业第一个杀手级应用程序，如统计和小游戏等非常出色，释放了巨大的顾客诉求，多次突破了常识的自然可行性标准。 在dsl出现之前，我记得56kbps是铜电话线的绝对最大速度。

深刻说明了汽车工业的迅速发展规模经济也适用于电子机械行业。 prius prime是一个很好的例子，这是一辆高度电脑化的插电式混合动力车，以robotic materials的gpr-1移动机器人的三分之一的价格，很多复杂程度很高，使用电动机、内燃机、各种传感器和电脑 可以想象，如果机器人技术能在大众市场上具有同样的魅力，零售价格有可能生产出只有汽车十分之一的移动机械臂。 机器人是现代工业的重要环节，因此可以比较有效地降低生产价格。 因此，这种可能性发生在工业历史上前所未有的速度。

另外，也有以指数函数增加机器人可用性功能的驱动力，即云计算。 如果共同的机器人掌握了或者被赋予了新的技能，就可以和其他所有的机器人共享。 在这种情况下，杂货店可以买到假设可以区别解决商店99%零售商品的机器人。 同样，制造商可以假设机器人可以解决和组装来自mcmaster-carr和misumi的所有产品。 最后，在家庭环境下，也可以假设机器人知道宜家和pottery barn出售的所有厨房用品。 这听起来像是劳动密集型的问题，但可能比使用汽车、三轮车和雪地汽车收集谷歌街景的镜头更容易管理。

机器人创业战略

现在我们正在等待两种趋势的融合:“更好的应用”、“更低的硬件价格”。 但是，在等待时，必须继续搜索除了典型的机器人应用程序以外的机器人功能，如移动、拾取、加载、卸货和组装。 我们可以应付根本挑战，使这些处理方案更具有通用性和鲁棒性。

关于这两个问题，研究个别计算机开发不可或缺的战略可能很有用。 这些策略也适用于 机器人技术

从处理客户的问题开始。 不幸的是，他们的问题从来不是对传感器、小部件或代码的指控，而是给他们带来了价格，带来了负面影响。 例如，很多人在basic上制定计税方案时有问题，所以想购买visicalc。

尽量减少自己的硬件。 商业模式必须比硬件的盈利能力更好。 例如，如果你可以创建最好的打印应用程序来购买电脑，为什么还要做自己的打字机呢？

如果目的是构建平台，请确保具备杀手级应用程序，保证平台的合理性。 例如，中小型计算机公司一直在下降，直到“1977三巨头”与电子表格和复制解决方案等杀手级应用程序合作。

采用开放体系结构，建立开源生态系统。 使用这个生态系统，别人可以制造更好的组件和外围设备，处理方法也可以集成到他们的设备中。 例如，apple ii和ibm pc是完全开放的体系结构，支持多个复制克隆，扩大了客户和开发人员的基数。

这是非常值得追求的目标。 在许多商业流程数字化的情况下，通用机器人可以在移动性和操纵性方面填补空白色，在有限的资源和能量下提高生产力，创造以创造性为基本货币的理想世界。

在《星球大战》中r2-d2机器人在不久的将来可能会成为现实。

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