在現實世界拓展機器學習應用的三種方法
在現實世界拓展機器學習應用的三種方法

稱為NeurIPS(神經資訊處理系統會議)的全球人工智慧領域盛會剛剛結束,出席者人數創下歷史新高,即使採取抽票制也難以容納。9,000張門票在12分鐘內售完,顯示了世界各地對AI興趣的爆炸性增長。

然而,儘管AI創新走出學術界,開始在產業界出現,大多數公司在落實AI解決方案時仍然面臨困難。在NeurIPS向AI世界發出警鐘的同時,機器人產業似乎對機器學習(ML)解決方案落地有更務實的考量。

推薦閱讀:AI機器人將會如何顛覆製造業?

我任職的公司提供機器學習軟體,使工廠和倉庫中有更多具自主性和更靈巧的機器人。為了彌補技術和產品落地中間的差距,我們和機器人公司與系統集成商密切合作,將最前端的機器學習研究產品化。

日前我飛到東京,參加全球最大規模的機器人展會「國際機器人展覽會」(IREX);在這裡,領先的機器人公司展示了將AI以及ML應用在機器人領域的各種方法。

從「自動化」到真正「自主化」,AI造就的機器人技術領域,最大成果是從原先的「自動化」(工程師藉由程式設計編寫規則,讓機器人遵守)邁向了真正的「自主學習」。

在先前的文章中,我談到AI如何造就新一代機器人2.0時代。傳統機器人主要用於大規模生產線,工程師事先編寫程式,讓機器以高精度、高速度執行相同的任務,但機器本身無法對變化或意外做出反應,因此彈性有所不足。

然而,隨著消費者對客製化產品需求的增長、和勞動力的不斷萎縮,我們需要更加自主和靈活的機器人。

也因此,有公司開始嘗試將ML應用於機器人領域,使新一代的機器人能夠處理傳統機器人無法完成的供作。在IREX中,我們看到了ML用於改善機器人的視覺、控制、以及提高真實使用案例的擴增性。

【延伸閱讀】Robotics 2.0(1)— AI重新定義機器人

機器視覺:在識別、可擴充性和自主學習方面的突破

即使是最先進的3D結構化光相機也難以識別具有透明封裝、反射或深色表面的物體,因為光線會散射或被吸收。

由於物品相互重疊,雜亂堆放的場景帶來了更多的挑戰。這就是為什麼大多數製造商都使用振動台,或零件進料器來分散物品的原因。

此外,傳統的機器視覺系統不夠靈活:你需要通過事先上傳每樣物品的3D 模型來登錄物件,以便後續進行影像及物件本身的匹配。只要過程中有任何一個小變化,都必須重新登錄物件、或是修改程式設計。

但是現在,隨著在深度學習、語義分割和場景理解等領域的進步,我們逐漸可以用一般相機來識別透明的、或是會反光的包裝。

在FANUC的展位上,「LR Mate 200iD」拾箱機器人利用深度學習演算法、以及3D視覺感應器,來示範拾取隨機放置在一個箱子裡的相同的金屬零件。FANUC表示,由於他們的系統可以即時執行3D圖像及物件比對,所以不需要預先登錄。

在FANUC展台旁邊的川崎重工(KHI),則利用來自Photoneo和Ascent兩家新創公司的ML技術,展示了類似的隨機物件揀選方案;在另外一邊,KHI則與Dexterity公司合作,展示了機器人可以同時處理、搬運各種尺寸盒子的自動處理存貨解決方案。

在另一個展覽大廳,日本機器手臂大廠DensoWave以及舊金山的ML新創公司OSARO首次展示了「物件方向辨識」(Orientation)功能,讓機器人可以從雜亂的箱子裡取出透明瓶子;不僅能夠識別最佳拾取點,而且還能識別物體方向、並將瓶口朝上放上輸送帶。

DensoWave機器人事業部總經理Yosuke Sawada評論:「OSARO新開發的『定向』功能是客戶一直在等待的技術之一。此一令人興奮的新功能,有助於識別對機器人較為困難(例如透明)的物品,並提高操作員和工廠自動系統的揀選率。」

在這項展示中,使用的瓶子是完全透明的,因此很難用傳統的機器視覺感應器識別;而且,過去還沒有其他公司展示過類似的功能。

這項讓技術機器手臂不僅可用於簡單的拾取和放置,還可用於更複雜的零件裝備(kitting)、包裝(packaging)、機器裝載(machine loading)、以及裝配(assembly)等工作。

機器控制:智慧放置和品項處理

作為人類,我們從出生起就不斷練習撿拾和放置各種物品,因此可以不假思索就本能地完成這些工作。但是機器沒有這種經驗,必須重新學習這些任務。

尤其是在對產品包裝特別要求的日本市場,各項商品都需要被精心包裝,確保物件和外包裝的完整性,沒有任何缺損。

利用ML,機器現在可以更準確地判斷深度。ML模型還可以通過訓練學習,自動判定物體的方向和形狀,例如杯子是朝上或向下,或處於其他狀態。

物件建模或體素化可用於預測和重建 3D 物件。它們使機器能夠更準確地預測實際物品的大小和形狀,從而將物料放置在所需位置。

這些技術使機器能更準確預測實際物品的大小和形狀,從而將物料放置在所需位置;因此,也讓以產品品項(SKU)為基礎的處理方式得以實現:機器人可以根據物品的脆弱或易碎程度,選擇將物品輕輕放下、或是快速放置。

因此,我們可以藉由自動改變處理方式,讓系統處理量最佳化,而又不會損壞任何物品。

在展會中,也有些公司也開始在運動規劃中,嘗試使用強化學習或機器學習技術。例如日本新創Acsent展示了一段利用「強化學習」來組合兩個部件的影片;而機器手臂大廠「安川」(Yaskawa)也談到了在路徑規劃中使用機器學習的潛在好處。

但是,如果上述的機器學習改進,需要大量資料和長時間的訓練,就會造成在實際執行上的困難。在機器人和自動駕駛汽車等實際應用中,獲取訓練資料既有難度、成本也相當昂貴;這就是為什麼我對於IREX中提及的資料效率(data efficiency)問題特別關注。

適用於現實世界的可擴充性:資料效率

Yaskawa去年為開發工業機器人AI解決方案而成立的新公司「AI Cube Inc.」(AI3),在IREX的發表會中推出了為企業將機器學習模型數位化的工具「Alliom」。
根據AI Cube的說法,Alliom 提供了一個模擬環境(simulation),用於進行資料擴充(data augmentation)、並生成類似真實物件的合成資料(synthetic data)。

Yaskawa利用Alliom加快了ML模型隨機揀料的訓練過程,並希望在不久的將來,能將該解決方案擴展到各種其他應用之中。

這也表示,機器人產業已經超越了僅能引人注目的ML演算法,而開始考慮實際應用支援ML的機器人。ML解決方案不僅需要能夠成功運作,還必須能有效跨越各種使用場景、擴展用途,否則客戶很難有足夠誘因來引進這類系統。

結語

在上一篇文章中,我提到機器人公司正面臨「創新困境」:他們意識到創新的迫切需要,但仍然需要照顧他們的核心客層,也就是需要高速度、高精度工作能力的汽車業和製造業公司;然而,相對於其他市場對靈活性要求較高、也需要機器人能自主學習識別和處理各種元件,這一點是互相矛盾的。

在IREX,我們看到機器人巨頭與KHI與Photoneo、Dexterity、Ascent、DensoWave與OSARO、FANUC、以及Preferred Networks等新創公司聯合展出,顯示機器人公司正在改變並擁抱AI創新。但是,這樣的改變速度夠快嗎?

在汽車業,我們看到汽車OEM製造商在邁向自動駕駛的過渡中,與特斯拉和Waymo等新進者展開競爭;然而到目前為止,我們還沒有看到科技巨頭進入機器人產業。

但Google、DeepMind、Facebook都已經在機器人相關的ML方面,投入了可觀的研究團隊,真正進入機器人產業可能也只是時間上的問題。

未來幾年之中,觀察AI將如何顛覆機器人行業、重新洗牌,將會是很有趣的事情。科技巨頭、機器人製造商、電子汽車製造商、AI新創公司,誰將勝出?

最後,誰又能鞏固在AI定義機器人時代的領導地位?

(本文由Bastiane Huang授權轉載自其Medium)

責任編輯:陳建鈞

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從切菜到乾燥加工!宜展如何結合桃園市政府創業資源,以AI開拓農產加工第二成長曲線?
從切菜到乾燥加工!宜展如何結合桃園市政府創業資源,以AI開拓農產加工第二成長曲線?

走進蔬果加工廠,同樣是100公斤高麗菜,最後能做出多少成品?答案不見得相同。氣候、產地與品質影響原料條件,客戶要求的切法、重量與交期也各不相同。對曾任科技業研發主管十多年的宜展科技農業執行長林佑澤而言,這是與科技製造截然不同的世界。

「農業部分全部都不一致。」林佑澤以青江菜為例,即使機械手臂已經訓練好辨識特徵,面對形狀各異的蔬菜,仍難以判斷該從哪裡抓取。農產品的天然變數,卻得面對學校團膳、連鎖餐飲、航空空廚等企業客戶對品質與交期的要求。如何讓加工流程穩定運作,成為宜展投入數位轉型的起點。

從紙本、LINE到數據,先把現場經驗留下來

目前宜展一年處理數千噸蔬果、服務超過120家企業客戶,業務涵蓋採購、截切、清洗、包裝與配送。林佑澤觀察,農產加工的關鍵經驗往往掌握在資深員工手中:該買多少菜、原料損耗多少、訂單增加又該安排多少人力,都仰賴現場判斷。

「主要就是把人的經驗變成數據。」林佑澤說。過去客戶透過LINE或紙本下單,現場靠人工整理訂單、對照不同客戶的加工規格;如今宜展利用AI辨識訂單內容並匯入ERP,再依客戶、品項與規格進行標籤化派工。製程則透過QR Code記錄原料投入量與成品產出量,逐步掌握各環節的加工損耗。

接下來是整理現場的判斷依據。林佑澤透過與資深員工對談,了解採購、派工與品管的作業方式,再利用AI協助找出規則、建立SOP。AI整理出的流程仍須由現場人員逐項確認、修正,才能實際執行。

品質管理也在持續改善。傳統金屬檢測器難以辨識菜蟲、橡皮筋等非金屬異物,宜展正與技術夥伴規劃導入AI影像辨識,輔助產線末端檢查。林佑澤表示,每批農產品品質不同,比起單看良率,他更重視客訴是否減少。隨著訂單與製程資訊逐步累積,宜展也希望進一步建立需求預測、採購建議與生產排程模型,減少營運對資深員工個人經驗的依賴。

不只把菜切好,乾燥加工尋找第二成長曲線

除了改善截切本業,宜展也開始發展乾燥加工。學校團膳在寒暑假面臨需求波動,生鮮蔬果則有保存期限短、價格易受產季影響等限制。林佑澤希望藉由乾燥技術延長農產品保存期限,開拓附加價值更高的加工業務。

不過,乾燥同樣有依賴經驗的問題。傳統做法是太乾就降低溫度、縮短時間,不夠乾就反向調整。每批原料的水分與成熟度不同,反覆試做不僅增加成本,也難以維持品質一致。「品質目標沒有設定的話,前面的製程參數就不知道怎麼調整。」林佑澤將過去研發車用面板的思維帶進農產加工:先決定產品希望達到的口感、含水率與水活性,再回頭檢視原料成熟度、截切厚度及乾燥參數等條件。

團隊進一步結合不同乾燥技術、自行改造設備,並接洽桃園的設備業者合作。林佑澤曾比較其他地區的設備,最後選擇設備構造、乾燥均勻度與可靠度較符合需求的桃園業者。宜展也持續累積製程參數,希望未來透過AI找出適合不同原料的乾燥曲線,減少反覆試做。

「我們主要還是要做代工,想要做一個功能性的原料平台。」林佑澤說,果乾目前更像是展示技術能力的產品,未來希望將服務延伸至辛香料、中藥材、太空食品、超級蔬菜及寵物食品等領域。現階段宜展主要營收仍來自蔬果截切本業,乾燥事業尚未形成主要收入。未來若能建立穩定的乾燥製程與代工能力,宜展便有機會從既有蔬果供應鏈,切入附加價值更高的食品原料市場。

從彰化走向桃園,驗證營運方法能否跨區複製

隨著加工流程逐步數位化,宜展也開始思考,這套管理方法能否帶到彰化以外的場域。

參與桃園市政府青年事務局天際線加速器及Meet桃園+後,宜展擴大與桃園產業生態系的連結。林佑澤提到,天際線協助邀集不同局處了解團隊需求,並提供資源媒合機會。宜展也開始與桃園市農會及在地農民合作,增加北部原料來源。這項合作不只拓展了供應來源,更成為宜展因應極端天候、穩定供貨的重要助力。林佑澤回憶,先前中南部連日降雨,蔬菜供應受到影響,宜展便從北部調度蔬菜,以不同產區互相支援,降低天候對供貨的衝擊。此外,團隊也透過天際線資源,獲得參與日本國際伴手禮設計競賽的輔導,並成功榮獲金賞獎肯定,除了展現產品的創新與設計實力,也為宜展拓展海外市場、提升國際能見度創造更多機會。

下一步,宜展規劃以桃園大溪作為第二個驗證場域,將彰化累積的資料、SOP與加工管理經驗,轉化為可複製、可優化的營運管理模式,帶到不同產地、供應鏈及人員條件下驗證。林佑澤指出,未來若要跨區域擴張,不可能每到一個新地方,就把原有團隊整批搬過去。因此,宜展希望將資深員工的實務經驗,轉化為標準化流程與數據模型,結合AI進行生產排程、資源配置及營運決策,讓新場域能依據當地條件快速調整,降低對特定人員經驗的依賴。

從彰化到桃園,宜展接下來要驗證的,是這套從傳統農產加工現場整理出來的管理方法,是能夠跨區域複製、快速部署並持續優化的農產加工營運系統。 長期目標是降低新場域的建置成本與管理複雜度,提升擴張效率,讓傳統農產加工業具備規模化發展的能力。

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