RoCKIn竞赛对机器人市场的影响

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#机器人竞赛 #基准测试 #工业机器人 #家用机器人 #ERL

第6章

RoCKIn：对机器人未来市场的影响

赖纳·比朔夫和蒂姆·弗里德里希
更多信息可在本章末尾获取
http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.70012

摘要

项目“机器人竞赛推动认知系统与机器人技术创新”（RoCKIn）由欧盟委员会在其第七框架计划资助下开展，旨在通过科学竞赛加速实现更智能的机器人。竞赛选择了两个具有高度相关性并对欧洲社会和工业需求具有重大影响的挑战方向：家用服务机器人（“RoCKIn@Home”）以及工业中的创新机器人应用（“RoCKIn@Work”）。本文通过国际机器人联合会的视角，阐述了RoCKIn中所选定任务和功能基准的历史背景与设计思路，并分析了RoCKIn对工业机器人市场领域的影响。为了描绘更全面的图景，本文将RoCKIn与其他机器人竞赛进行了比较，指出了这些竞赛之间的相似之处、差异以及共同面临的挑战。文中还解释了部分工业机器人市场的需求以及RoCKIn如何应对这些需求，强调了该项目在市场影响方面的优势与不足，并展示了其后续项目欧洲机器人联盟（ERL）如何延续并解决这些问题。

关键词 ：机器人技术，机器人竞赛，基准测试，家用机器人，工业机器人

1. 引言

本章简要概述了机器人市场的当前状况。它探讨了机器人竞赛可能对该市场产生的影响，不仅关注RoCKIn（机器人竞赛推动认知系统与机器人技术创新）的贡献，还涉及其后续项目欧洲机器人联盟（ERL）以及机器人竞赛和基准测试的整体情况。本章分为两个主要部分：
- 工业市场领域的竞赛
- 市场影响分析

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本章主要关注工业机器人竞赛及其对工业机器人市场的影响，尽管所提供的部分信息也适用于服务机器人竞赛及其对服务机器人市场的影响。

以下各节简要讨论了机器人市场的现状、终端用户的一般需求以及RoCKIn应对这些需求的方式。进一步展示了工业机器人市场和服务机器人市场可能如何受到机器人竞赛的影响，以及这些竞赛带来的一些长期益处。文中还介绍了一些始于机器人竞赛的成功案例，最后展望了欧洲即将举行的机器人竞赛和基准测试工作。

2. 工业市场领域的竞赛

根据国际机器人联合会（IFR）的分类，机器人市场可分为工业机器人和服务机器人两大领域。这些领域的分类遵循并扩展了所有经济活动的行业标准分类（ISIC）第四版。仅就工业机器人而言，已分析了十几个不同的领域。在RoCKIn@Work背景下最相关的领域包括制造业、电气/电子和汽车。从应用角度来看，物料搬运操作/机器看管以及装配与拆卸启发了RoCKIn@Work的基准测试。在RoCKIn@Home中，通过基准测试涵盖了服务机器人的应用领域，即家用任务机器人和老年人和残疾人辅助。

随着对基于机器人的自动化需求不断增加，人们需要客观地比较不同解决方案，从而推动了相关方案的发展。在解决方案开发或采购过程中，终端用户通常会比较不同机器人制造商/供应商的数据表，有时甚至自行创建基准测试，以找到最有前景的解决方案。特别是汽车行业会制定机器人制造商知晓但公众并不了解的基准测试。他们秘密地对机器人性能进行比较和评估，并将结果分享给机器人制造商。典型的基准测试标准包括可测量的量化指标，如循环时间、路径精度、位姿重复性、平均无故障时间、成本等。此外，感知的产品质量、品牌形象、长期客户关系等软性因素也在此过程中发挥作用。

最大的问题是，如何客观地比较不同的解决方案。目前在工业领域存在大量不同的机器人挑战赛、基准测试和竞赛，它们通常旨在解决某一特定问题。只有极少数尝试应对复杂程度各异的多种任务。这些活动的共同点是，通常由一个或多个裁判来确定获胜者，但缺乏对不同功能进行客观评分和可比性分析的机制。这与RoCKIn@Work的理念有本质区别，在RoCKIn@Work中，机器人系统的各项单一功能以及任务层面的整体性能，均通过基于贯穿测试收集的数据的客观指标进行评分。

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本节简要描述了一些工业终端用户面临的问题，并概述了机器人竞赛迄今所产生的意义和影响，以及未来可能产生的更强大影响。

2.1. 机器人市场挑战

如引言所述，全球机器人市场正在快速增长，那些希望在工厂中利用机器人来自动化其生产流程的企业，尤其是尚未开始自动化进程的中小企业，面临着越来越多的选择。机器人企业的数量正在迅速增加，它们通常针对常见问题提供非常专用的解决方案。由于缺乏客观的方法来比较市场上提供的各类解决方案，企业很难选择最符合自身需求的方案。此时，工业机器人竞赛对工业界开始展现出吸引力，并且使其自身区别于其他成熟的竞赛形式。这些竞赛不再仅仅关注竞赛的娱乐性，而是旨在为现实世界中出现的问题提供可行的解决方案。这有助于在机器人技术方面经验尚浅的中小企业了解机器人技术的技术水平，以及针对其自身工厂中生产挑战的潜在解决方案。

2.2. 不同的工业机器人竞赛

本节概述了工业领域中一些对机器人技术界具有重大影响的机器人竞赛。

它们的共同点是参赛队伍的水平非常高。显然，这些竞赛并未被轻视，各团队在准备过程中投入了大量精力。另一个明显的迹象是，许多博士生参与其中，并将其作为日常工作的组成部分。他们通常会带领年轻的本科生，从而分享知识，并为本科生提供常规大学课程之外的实践经验。

它们大多数缺少的是，没有提供移动操作的设置，而这一点在未来工厂场景中正变得越来越重要[1]。相反，它们专注于非常复杂的设置来挑战参赛者，要么涉及大量不同的操作对象，要么包含作为实际应用子集的极为复杂的任务。

2.2.1. 空客车间挑战赛

这项挑战赛首次于斯德哥尔摩举行的2016年国际机器人与自动化会议（ICRA 2016）上举办。各参赛队伍需在代表飞机机身部分的工件上完成多轮简化的钻孔任务。成功与否取决于在规定时间内完成的钻孔数量及精度。除了为获胜团队提供奖金外，更重要的是获胜者有机会在空中客车公司内部将其创意发展为商业应用。更多详细信息见参考文献[2]。

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2.2.2. 亚马逊机器人挑战赛

亚马逊机器人挑战赛[3]的目标是加强工业界与学术界之间的联系，并推动针对迄今为止物流/操作用例中非结构化自动化领域一些重大问题的共享和开放式解决方案。该挑战赛包含三个不同的任务。在拣选任务中，各参赛队需将目标物品从存储区取出并放入箱中。在上架任务中，各参赛队需从料箱中取出目标物品并放入存储区。最后进行一轮综合比赛，先将所有物品上架，再从中拣选指定物品放入箱中。

2.2.3. 拜耳机器人竞赛

2016年标志着另一项机器人技术竞赛的开始，该竞赛由拜耳股份公司发起的Grants4Tech资助，旨在改进生命科学工业中的生产流程[4]。这项竞赛与亚马逊机器人挑战赛非常相似，旨在加强工业界与学术界机器人技术研究团体及爱好者之间的联系。该任务源于一个现实问题：在拜耳公司，每天都需要从 incoming 原材料桶中进行数百次粉末取样以进行质量控制。为了寻找实现该流程自动化的解决方案，创立了这项机器人技术竞赛。该任务被分解为若干子任务，其中一些子任务本身即为复杂任务。截至目前，该竞赛仍在进行中，因此尚无法得出结论。

2.2.4. 欧洲机器人挑战赛（欧洲机器人挑战赛）

欧洲机器人挑战赛是一个由欧盟第七框架计划资助的项目。其目标是通过一系列应用实验，聚焦欧洲制造业的发展，同时采用一种创新方法，确保进行性能对比评估。该挑战赛包含三个与工业相关的挑战：
- 可重构交互式制造单元
- 车间物流与操作
- 工厂维护与检测

在上述竞赛中，只有欧洲机器人挑战赛与RoCKIn一样，采用基准测试作为性能衡量方式。另一个关键区别是，该竞赛涉及移动操作，并在四年期间分阶段进行，而其他竞赛均为年度赛事。更多信息请见[5]。

2.3. RoCKIn@Work

如前几章所述，RoCKIn 竞赛与上述其他工业机器人竞赛有所不同。该项目的主要重点不仅在于竞赛部分，还在于基准测试。据我们所知，该项目是首个能够通过将记录的数据与真实系统进行比较，依靠客观指标来评估机器人功能和能力性能的机器人竞赛。

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其理念是将竞赛用作科学实验的工具，以促进科学进步和创新，这一理念在研究和工业界得到了广泛认可。

尽管RoCKIn对工业的直接影响无法衡量，但举办一项能够促使学生更深入关注其开发或使用的硬件和软件的竞赛具有重要意义。构建一个模块化系统，使得单个功能可以在不受机器人系统其他部分干扰的情况下进行测试，就机器人竞赛而言，这在目前仍是RoCKIn独有的特点。

因此，RoCKIn成为参与竞赛和基准测试的理想入门形式。年轻的大学生，可能在大学二年级或三年级时，就有机会加入团队并作出贡献，无论是通过自主开发的软件/硬件模块，还是通过修改现有功能。

这些学到的技能和实践经验在工作申请中非常有价值。与工业界代表的个人联系，以RoCKIn为例，即库卡机器人有限公司，为参赛者提供了申请实习或在全球主要机器人公司撰写毕业论文的机会，因为实践经验显著提高了申请人的成功率。可以观察到，有机器人竞赛背景（无论是RoCKIn还是其他竞赛）的学生通常对其分配的任务更加坚韧和投入。他们的工作，无论是大学的毕业作业还是实习期间的工作，质量往往高于没有此类经验的学生。在企业工作期间，他们需要的支持更少，通常能够更好地独立工作并融入团队。

2.4. 欧洲机器人联盟：工业机器人

欧洲机器人联盟（ERL）是RoCKIn的后续项目，属于欧盟委员会“地平线2020”框架计划资助的更大项目RockEU2的一部分。欧洲机器人联盟工业机器人（ERL‐IR）联赛是RoCKIn@Work的延续。如本书第一章所述，欧洲机器人联盟（ERL）与RoCKIn之间的主要区别在于区分了major和local锦标赛。

这一概念的提出旨在解决植根于竞赛形式本身的问题。在RoCKIn以及其他机器人竞赛中，比赛中常常出现快速解决方案或临时修改以增加新功能的情况，这导致系统行为异常。竞赛期间紧张的日程使得硬件或软件的重大修改根本无法实现。通过引入地区性锦标赛，团队将有充足的时间为基准测试做好准备，从而避免其系统出现重大错误。同时，他们也能有时间在每次基准测试执行之间以“正确”的方式修复小问题，尽可能避免临时修改。最终，这将有助于打造出更加鲁棒的系统，能够反复应对基准测试所设定的挑战。

目前，欧洲机器人联盟（ERL）主要面向本科生而非博士生。因此，地区性锦标赛相较于常规竞赛具有另一优势：专家与参赛者之间的培训和直接互动。与欧洲机器人联盟服务机器人（ERL-SR）联赛相比，ERL‐IR的参与者年龄更小，且没有大量博士生参与。这

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这可能是因为在ERL‐SR中没有标准化的平台，而在ERL‐IR中，迄今为止所有团队都使用 KUKA youBot参赛，使其成为该联赛事实上的标准硬件平台。ERL‐IR中地区性锦标赛的优势由此体现：由于参赛者使用相同的硬件平台，他们之间可以直接共享软件或知识。甚至在零部件、工具方面互相协助，或因他人已知某些软件错误而减少查找软件错误所需的时间，这种情况在各团队之间十分常见。这种交流非常富有成效，有助于通过知识共享和社区建设推动更智能机器人的发展。

3. 市场影响分析

3.1. 工业需求

工业应用具有一组在大多数应用中普遍存在的要求。这些要求包括：
- 设置时间
- 循环时间
- 可靠性
- 技术成熟度
- 成本

RoCKIn通过设计RoCKIn@Work测试平台以及定义任务和功能基准来应对这些议题。为了确保设置时间保持在最低限度，每个团队准备机器人执行任务的时间被固定，即在每次基准测试执行前为其提供一个固定的时间段。通过为基准测试运行设定时间限制（通常为10分钟），来解决循环时间的问题。对于任务基准中单个步骤（例如识别物体）所需的时间，联盟虽曾考虑将其固定，但并未实施，因为在功能基准测试中已对单个功能的性能进行了评估。

在可靠性方面，各团队必须命令其机器人在多个预设的起始时间重复执行每个基准测试多次。这确保了团队可以在基准测试运行之间有时间改进机器人设置并修复一些较小的错误，从而在竞赛结束时获得更可靠的系统。尽管在竞赛期间进行编程（“临时修改”）可能被视为负面行为，但它至少教会了团队成员关于遵守截止日期、性能要求和质量问题的宝贵经验。

与其它竞赛相比，RoCKIn项目拥有的资源较少。参加该竞赛的团队也仅有少量资源。因此，应对挑战所采用的解决方案必须是低成本的。例如，硬件更改通常通过为所使用的主机器人平台添加3D打印附加部件来实现。与工业中仍为标准的铣削金属部件相比，这是一种非常节约成本的硬件配置修改方式。

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3.2. 现状分析

RoCKIn的优势是多方面的。其中一个突出的方面是参与团队对竞赛的科学与基准测试方面所表现出的积极性。在共同的问题领域中协作，并共享知识以完成任务目标，这种合作精神多次超越了“赢得”竞赛本身。对于参赛者以及项目而言，在自身实验室之外以明确定义的方式体验和测试其机器人系统，并与其他团队进行竞争，被认为具有极高的价值。

在RoCKIn之前所缺失且至今仍未得到充分解决的是基准测试挑战的规范化问题。RoCKIn所定义的基准测试是朝着正确方向迈出的一步，但尚未达到足以吸引更多工业界合作伙伴所需的影响力。值得注意的是，这些基准测试过于复杂，以至于大多数团队都无法完整执行一次完整的基准测试。联盟最初的期望可能过高，同时规则也不够灵活，未能根据参赛者技能水平对特定基准测试进行适当调整。另一个仍然缺乏的方面是向工业界进行技术转移的过程。

无论是在RoCKIn还是其他机器人竞赛中，目前都还没有明确定义的流程来说明软件模块如何能够转移到实际应用中，而这正是工业界非常感兴趣的内容。此外，评估单个模块或功能性能的可能性仍然有限。能够在更广泛范围内推广基准测试的基础设施也尚未建立。

为解决这一问题，RoCKIn奠定了良好的基础，欧洲机器人联盟（ERL）在此基础上进一步发展。ERL利用对测试平台进行基准测试的明确规范，在欧洲各地的实验室中对其进行复制。认证流程确保新的测试平台能够执行特定的任务或功能基准测试。在竞赛年度中的规则演进将针对不同参赛者的技能水平，并允许更多功能组合到任务基准测试中。竞赛的科研部分将变得更加突出，同时可供其他研究人员使用的基准测试数据量也将增加。

机器人竞赛数量的不断增加既是机遇也是挑战。过多专注于特定问题的竞赛可能导致出现更多专用解决方案，而非通用解决方案。而在专用解决方案方面，企业已经非常擅长。为了提升技术水平，这些解决方案需要能够适用于更广泛的应用，以满足市场需求。未来的生产将需要更加灵活，因此应用不应再局限于某一特定用例。

4. 成功案例

本节展示了两个始于机器人竞赛的成功案例。

第一个是亚马逊机器人挑战赛，详见第2节。它最初是作为ICRA机器人挑战赛的一部分于2015年举办的亚马逊拣选挑战赛。在此之前，亚马逊收购了Kiva系统公司，该公司后来成为亚马逊机器人。Kiva系统公司是一家实现高效仓库物流的公司，由RoboCup小型组联赛的一名参赛者创立。

第二个成功案例是RoboCup标准平台联赛。该联赛最初使用索尼AIBO作为标准平台。在 AIBO停产之后，该联赛的一名参赛者创立了一家新公司——阿尔德巴兰机器人公司。该公司开发了小型人形机器人NAO，取代AIBO成为新的标准平台。在阿尔德巴兰机器人公司被软银收购后，宣布其机器人Pepper将于2017年成为新设立的RoboCup家庭标准平台联赛的新标准平台。

这些故事表明，机器人竞赛的价值远超初看时的预期。正是团队精神和不断壮大的社区推动着有才华的人去追求非凡的成就，而这些成就是没有这种环境可能无法实现的。