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| 本文作者： 王金旺 | 2018-09-01 18:24 |
輪式機(jī)器人最終將會(huì)走向足式機(jī)器人，這是業(yè)內(nèi)人士普遍的觀點(diǎn)。
在2018世界機(jī)器人大會(huì)上，大家喜聞樂見的足式機(jī)器人雖然聲勢(shì)稍弱，卻代表著更長遠(yuǎn)的市場布局和更豐富的場景應(yīng)用。雷鋒網(wǎng)編輯采訪了上海交通大學(xué)教授、國家973計(jì)劃首席科學(xué)家高峰，結(jié)合高峰教授的觀點(diǎn)及業(yè)內(nèi)精英的理解，就此次大會(huì)上見到的雙足及多足機(jī)器人的技術(shù)能力及部分產(chǎn)品加以分析，為大家撥開足式機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的迷霧。
首先要對(duì)輪式機(jī)器人和足式機(jī)器人做一個(gè)解釋。
輪式機(jī)器人一般有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是方向盤的驅(qū)動(dòng)，一個(gè)是輪子的驅(qū)動(dòng)。它實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。輪式機(jī)器人由兩個(gè)電機(jī)控制，原理相對(duì)比較簡單，相對(duì)現(xiàn)在技術(shù)能力來說，實(shí)現(xiàn)起來也并不復(fù)雜。從專業(yè)角度來講，輪式機(jī)器人將任務(wù)和行動(dòng)進(jìn)行了統(tǒng)一，因?yàn)榭刂坪唵危运膶?shí)用性也很強(qiáng)。
足式機(jī)器人有所不同，無論是幾條腿，一般足式機(jī)器人在走路的時(shí)候往往都是按兩足方式行走，但是即使足式機(jī)器人能夠很好地捕捉到環(huán)境信息，如何告訴機(jī)器人的腿怎么動(dòng)還是關(guān)鍵問題。例如雙足機(jī)器人到底是先邁左腿還是邁右腿仍是個(gè)問題，因而足式機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，必須要能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。
一般采用串聯(lián)腿的足式機(jī)器人很容易設(shè)計(jì)，只要在關(guān)節(jié)上裝三到四個(gè)電機(jī)就可以，通常一個(gè)腿至少要配備三個(gè)電機(jī)，平面腿有兩個(gè)電機(jī)就可以，另外，如果想把電機(jī)裝在機(jī)身上一般采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
有了腿以后就可以開發(fā)步行器了，步行器包括很多結(jié)構(gòu)，但其中核心問題是設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有感知能力的驅(qū)動(dòng)，以及把編碼器、伺服電機(jī)、減速器和傳感器復(fù)合成一個(gè)系統(tǒng)，從而開發(fā)出智能驅(qū)動(dòng)單元。有了這個(gè)單元以后，就可以進(jìn)行機(jī)器人行走、跑和跳的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)了，而現(xiàn)在的足式機(jī)器人的功能基本上還處于這一階段。
上圖為此次雷鋒網(wǎng)編輯在會(huì)場上看到的四款比較有代表性的雙足機(jī)器人。雙足機(jī)器人是最貼近真人形象的仿人機(jī)器人，但也是發(fā)展遇到困難最多的機(jī)器人。就眼下最大的困難還是如何實(shí)現(xiàn)平衡能力和移動(dòng)能力。
就以上四款機(jī)器人中，功能最強(qiáng)大的是右下角軟銀NAO機(jī)器人。這款機(jī)器人擁有動(dòng)態(tài)地面環(huán)境平衡能力，主要應(yīng)用自身攜帶的電子陀螺儀、加速度傳感器和8個(gè)壓力傳感器，在地面傾斜時(shí)能夠檢測(cè)機(jī)器人重心變化、加速度變化和腳底壓力數(shù)值的變化，進(jìn)而調(diào)整自身姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人穩(wěn)定和平衡。平衡能力和運(yùn)動(dòng)能力相對(duì)于其他三款機(jī)器人算是很好了，在世界機(jī)器人大會(huì)上還展示了踢足球的能力。
當(dāng)然，NAO相對(duì)來講也是圖中體型最小的雙足機(jī)器人，身高只有58厘米。就體型對(duì)機(jī)器人平衡能力及運(yùn)動(dòng)能力影響有多大，雷鋒網(wǎng)編輯在大會(huì)上采訪了上海交通大學(xué)教授、國家973計(jì)劃首席科學(xué)家高峰，高峰教授解釋：相對(duì)于大型的雙足器人而言，小型雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力和穩(wěn)定性之所以很強(qiáng)，主要由于它的重心很低，從某種意義上來講，并非依靠智能完成復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，而是其機(jī)械結(jié)構(gòu)提供了一定的優(yōu)勢(shì)。而大型雙足機(jī)器人基本上都要依靠加入伺服電機(jī)的智能驅(qū)動(dòng)單元（步行器的關(guān)鍵部分）來控制機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。因而沒有加入伺服電機(jī)的機(jī)器人，很難說是智能，在一定程度上也只能算是玩具。
其他三款大型雙足機(jī)器人中，右上角和左下角的兩款機(jī)器人分別為北京鋼鐵俠科技有限公司的ART機(jī)器人和北京理工大學(xué)的匯童6P機(jī)器人，現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)的最重要的功能就是直立行走，主要仍然是應(yīng)用在教育行業(yè)（科研方面）。而左上角的靈銥機(jī)器人主要能夠?qū)崿F(xiàn)的功能除了直立行走，還多出一項(xiàng)上下樓梯的功能。
另外，雷鋒網(wǎng)編輯在現(xiàn)場也與靈銥機(jī)器人相關(guān)技術(shù)研發(fā)人員進(jìn)行了交流，據(jù)了解，就雙足機(jī)器人而言，核心算法是比較耗時(shí)間的，也是研發(fā)重點(diǎn)，電池部分現(xiàn)在主要還是要依靠產(chǎn)業(yè)的研發(fā)能力和供應(yīng)能力，機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)很少會(huì)為了電池配備相關(guān)研發(fā)人員。現(xiàn)在整體機(jī)器人還處在研發(fā)階段，仍然要靠電纜連接交流電來作為電源，團(tuán)隊(duì)希望2021年實(shí)現(xiàn)第三款產(chǎn)品迭代時(shí)，能夠擁有更好的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)商用。
據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，大型雙足機(jī)器人現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)的能力仍停留在直立行走，上下樓梯等基礎(chǔ)功能階段，而在供電能力上，由于耗電量巨大，仍然無法擺脫尾部連接交流電源的長長的電纜。當(dāng)然，考慮到現(xiàn)在大型雙足機(jī)器人就能力來看還處在學(xué)步的初級(jí)階段，隨著時(shí)間的推移，到雙足機(jī)器人需要落地商用時(shí)，電池工藝和供電能力也不會(huì)成為最終阻礙。
高峰教授也指出，現(xiàn)在足式機(jī)器人一個(gè)很重要的問題還是動(dòng)力和穩(wěn)定是否能有所突破，這就需要從機(jī)械本身出發(fā)。第二個(gè)問題就是腿式機(jī)器人必須要智能，不需要人再去操控它如何行走，這就像人的五個(gè)手指頭，每一個(gè)手指頭就是四個(gè)電極，我們叫四個(gè)自由度，所以現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人只做到四個(gè)手指，擁有五個(gè)手指的工業(yè)機(jī)器人就無法應(yīng)用了。如果用一個(gè)自由度和一個(gè)電極進(jìn)行抓取動(dòng)作也是可以的，如果是兩個(gè)自由度去抓取那就會(huì)出現(xiàn)問題，如何抓取就牽扯到了機(jī)器人需要思考，也就是所謂的智能了。所以一般工業(yè)上都是一個(gè)電機(jī)來進(jìn)行物體抓取的。
相對(duì)于雙足機(jī)器人，多足機(jī)器人不論是在穩(wěn)定性還是在產(chǎn)品迭代上都有更好的表現(xiàn)。
上圖為此次展會(huì)上頗受歡迎的兩款四足機(jī)器人，猛一看，竟有幾分神似波士頓動(dòng)力傳聞中明年量產(chǎn)的spot mini，而其實(shí)，這也是現(xiàn)在四足機(jī)器人常用體型。其中，左邊為浙江大學(xué)的四足仿生機(jī)器人“絕影”，右邊為宇樹科技的四足機(jī)器人萊卡狗（Laikago），雖然外觀有幾分相似，但是據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，兩款產(chǎn)品在續(xù)航能力和電機(jī)過熱問題的處理能力等關(guān)鍵性能上還有一定的差距。
雷鋒網(wǎng)在現(xiàn)場也與宇樹科技聯(lián)合創(chuàng)始人陳立進(jìn)行了交流，據(jù)了解，四足機(jī)器人相對(duì)雙足機(jī)器人主要優(yōu)勢(shì)有以下三點(diǎn)：
1）四足機(jī)器人相對(duì)雙足機(jī)器人來說，結(jié)構(gòu)更加簡潔，零部件也會(huì)少很多，因而可靠性會(huì)更高；
2）由于四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡潔，硬件成本會(huì)更低，研發(fā)周期也會(huì)短一些，這有助于加快產(chǎn)品和技術(shù)的迭代更新；
3）從步態(tài)種類角度來看，四足相對(duì)于雙足的步態(tài)更加豐富，這也有助于研發(fā)人員尋找運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的突破口。
純電驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人是一個(gè)全新的移動(dòng)平臺(tái)，世界范圍內(nèi)2016年才出現(xiàn)，需要時(shí)間來迭代機(jī)器人本體技術(shù)和相應(yīng)的配套技術(shù)，現(xiàn)在其實(shí)也存在一些技術(shù)瓶頸，例如穩(wěn)定性、可靠性、續(xù)航能力和負(fù)載能力都有待進(jìn)一步提高。
另外，據(jù)雷鋒網(wǎng)了解，目前四足機(jī)器人沒能夠商業(yè)化量產(chǎn)使用，主要有兩方面原因：
1）相較輪式和履帶式成本過高、維修難度大；
2）沒有明朗的具體商用落地場景。
以萊卡狗為例，目前主要仍是面向高校研究所及一些前沿科技公司。不過，據(jù)陳立先生介紹，萊卡狗短期內(nèi)可以被用于娛樂、酷玩、展示及安防巡邏。未來萊卡狗可能會(huì)被用于勘探搜救、陪伴、軍方作戰(zhàn)平臺(tái)及快遞物流等領(lǐng)域。
相對(duì)于四足機(jī)器人而言，上海交通大學(xué)研發(fā)的六足機(jī)器人又多出兩條腿，高峰教授解釋稱，六足機(jī)器人最大的優(yōu)勢(shì)就是穩(wěn)定性更高。六足機(jī)器人行走時(shí)，每次有三條腿抬起，另外三條腿就會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，這是它的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。承載能力也比雙足機(jī)器人更大，畢竟行走時(shí)三足要比兩足可承受的重量多很多。另外，如果把動(dòng)力學(xué)控制做好還會(huì)有快速移動(dòng)能力。
當(dāng)下足式機(jī)器人發(fā)展瓶頸在哪里？
高峰：現(xiàn)在機(jī)器人發(fā)展一個(gè)很大的瓶頸就是智能感知，環(huán)境感知和任務(wù)認(rèn)知是一個(gè)比較難的領(lǐng)域。以開門指令為例，機(jī)器人首先要認(rèn)識(shí)什么是門，門有多少種。其實(shí)人類有時(shí)候都不一定能找得正確，所以認(rèn)知就是一個(gè)大問題，機(jī)器人認(rèn)知環(huán)境是機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)前提。
因?yàn)闄C(jī)械本身是無智能的，如果你想讓它智能，就得做機(jī)器人頂層的軟件設(shè)計(jì)，從而能夠把人的指令、任務(wù)以及感知的信息與機(jī)器人的行為一一對(duì)應(yīng)上。也就是機(jī)器人會(huì)根據(jù)你下的任務(wù)感知信息和指令，完成行為。這些信息再與機(jī)器人的行為對(duì)應(yīng)上就是智能。例如人發(fā)出指令讓機(jī)器人上樓梯，它首先得找樓梯，然后測(cè)量樓梯，最后怎么上去，這些決策全靠機(jī)器人自己做出。
現(xiàn)在大型足式機(jī)器人都會(huì)通過電纜連接交流電源供電，您怎么看現(xiàn)在機(jī)器人供電的問題？
這是一個(gè)本質(zhì)的問題，如果帶電纜，你的機(jī)器人做得再好也不能用，所以一定要把電源單元放在身上，這樣它的動(dòng)力學(xué)性能才能體現(xiàn)出真正水平。
在全世界的發(fā)展來看，人類普遍對(duì)智能機(jī)器人期望值過高，我們第一希望它體魄好、有力量、跑得快、靈活，這就要求它本身機(jī)械部分做得好。同時(shí)，還要擁有智能，要能通過看你的眼神去做出相應(yīng)行為，而且能表達(dá)它的喜怒哀樂。人和機(jī)器人在一起，如果機(jī)器人能看懂你的想法，你的眼神，然后做出相應(yīng)的響應(yīng)，這屬于很高的智能水平，機(jī)器人如何判斷人的行為，如何理解人的行為是一個(gè)很大的問題。
您認(rèn)為現(xiàn)在中國機(jī)器人發(fā)展關(guān)鍵的短板在哪里？核心技術(shù)的攻關(guān)進(jìn)展到什么程度？
機(jī)器人是一個(gè)機(jī)械，機(jī)械不能革命只能進(jìn)化。德國在這方面做得很好，德國的機(jī)械不淘汰卻總是在進(jìn)步，他們用信息產(chǎn)業(yè)更新軟件，讓機(jī)械更加智能化，從而功能變得越來越強(qiáng)大。中國在這方面不能過于急功近利，要把機(jī)械的進(jìn)化做好，也就是機(jī)械本身的設(shè)計(jì)精度、控制水平要提高，只有當(dāng)一個(gè)軟件進(jìn)化做得越來越好，這樣才能夠去和世界強(qiáng)國競爭。
例如機(jī)器人如果和汽車行業(yè)相比，汽車技術(shù)要復(fù)雜得多。機(jī)器人內(nèi)部實(shí)際上就是一個(gè)計(jì)算機(jī)單元，包括一個(gè)電機(jī)、幾個(gè)顯示器、一個(gè)傳感器、一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置、一個(gè)控制器和一個(gè)編碼器六大硬件單元。這六個(gè)硬件如果國產(chǎn)的能做好，再加上傳感器力學(xué)的視覺陀螺，機(jī)器人問題就解決了。
關(guān)鍵問題在于我們的電機(jī)密度低，力距和控制精度也不高，所以大家就去國外買（很貴）?，F(xiàn)在好很多了，我們現(xiàn)在做的機(jī)器人可以采用國產(chǎn)硬件，我們自己做的電機(jī)的功率密度已經(jīng)很高了，與國外普通生廠商的電機(jī)相比已經(jīng)有一定優(yōu)勢(shì)，但是與波士頓動(dòng)力或MIT做的電機(jī)相比還是存在一定差距的。
解讀器現(xiàn)在國產(chǎn)的有斜坡顯示器，只不過精度和壽命不如日本或德國做得好；力學(xué)傳感器，國產(chǎn)產(chǎn)品做得還是挺好的；驅(qū)動(dòng)器成本會(huì)高一些，國產(chǎn)驅(qū)動(dòng)器精度不是很好，因而電機(jī)驅(qū)動(dòng)器也是一個(gè)亟需解決的問題；系統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在仍然面臨使機(jī)器人的設(shè)計(jì)變得輕量化，可以快速響應(yīng)指令，同時(shí)還要精度高的問題；另外，還有材料方面的問題。
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