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轮式机器人最终将会走向足式机器人,这是业内人士普遍的观点。

在2018世界机器人大会上,大家喜闻乐见的足式机器人虽然声势稍弱,却代表着更长远的市场布局和更丰富的场景应用。雷锋网编辑采访了上海交通大学教授、国家973计划首席科学家高峰,结合高峰教授的观点及业内精英的理解,就此次大会上见到的双足及多足机器人的技术能力及部分产品加以分析,为大家拨开足式机器人技术发展的迷雾。

足式机器人的腿部设计是关键

首先要对轮式机器人和足式机器人做一个解释。

轮式机器人一般有两个驱动,一个是方向盘的驱动,一个是轮子的驱动。它实现了前进、后退和转弯。轮式机器人由两个电机控制,原理相对比较简单,相对现在技术能力来说,实现起来也并不复杂。从专业角度来讲,轮式机器人将任务和行动进行了统一,因为控制简单,所以它的实用性也很强。

足式机器人有所不同,无论是几条腿,一般足式机器人在走路的时候往往都是按两足方式行走,但是即使足式机器人能够很好地捕捉到环境信息,如何告诉机器人的腿怎么动还是关键问题。例如双足机器人到底是先迈左腿还是迈右腿仍是个问题,因而足式机器人的腿部设计很关键,必须要能够实现智能化。

一般采用串联腿的足式机器人很容易设计,只要在关节上装三到四个电机就可以,通常一个腿至少要配备三个电机,平面腿有两个电机就可以,另外,如果想把电机装在机身上一般采用并联结构。

有了腿以后就可以开发步行器了,步行器包括很多结构,但其中核心问题是设计使机器人具有感知能力的驱动,以及把编码器、伺服电机、减速器和传感器复合成一个系统,从而开发出智能驱动单元。有了这个单元以后,就可以进行机器人行走、跑和跳的基础实验了,而现在的足式机器人的功能基本上还处于这一阶段。

双足机器人仍需改善平衡和行走能力

上图为此次雷锋网编辑在会场上看到的四款比较有代表性的双足机器人。双足机器人是最贴近真人形象的仿人机器人,但也是发展遇到困难最多的机器人。就眼下最大的困难还是如何实现平衡能力和移动能力。

就以上四款机器人中,功能最强大的是右下角软银nao机器人。这款机器人拥有动态地面环境平衡能力,主要应用自身携带的电子陀螺仪、加速度传感器和8个压力传感器,在地面倾斜时能够检测机器人重心变化、加速度变化和脚底压力数值的变化,进而调整自身姿态来实现机器人稳定和平衡。平衡能力和运动能力相对于其他三款机器人算是很好了,在世界机器人大会上还展示了踢足球的能力。

当然,nao相对来讲也是图中体型最小的双足机器人,身高只有58厘米。就体型对机器人平衡能力及运动能力影响有多大,雷锋网编辑在大会上采访了上海交通大学教授、国家973计划首席科学家高峰,高峰教授解释:相对于大型的双足器人而言,小型双足机器人运动能力和稳定性之所以很强,主要由于它的重心很低,从某种意义上来讲,并非依靠智能完成复杂环境的适应能力,而是其机械结构提供了一定的优势。而大型双足机器人基本上都要依靠加入伺服电机的智能驱动单元(步行器的关键部分)来控制机器人稳定运动。因而没有加入伺服电机的机器人,很难说是智能,在一定程度上也只能算是玩具。

其他三款大型双足机器人中,右上角和左下角的两款机器人分别为北京钢铁侠科技有限公司的art机器人和北京理工大学的汇童6p机器人,现在能够实现的最重要的功能就是直立行走,主要仍然是应用在教育行业(科研方面)。而左上角的灵铱机器人主要能够实现的功能除了直立行走,还多出一项上下楼梯的功能。

另外,雷锋网编辑在现场也与灵铱机器人相关技术研发人员进行了交流,据了解,就双足机器人而言,核心算法是比较耗时间的,也是研发重点,电池部分现在主要还是要依靠产业的研发能力和供应能力,机器人研发团队很少会为了电池配备相关研发人员。现在整体机器人还处在研发阶段,仍然要靠电缆连接交流电来作为电源,团队希望2021年实现第三款产品迭代时,能够拥有更好的协调性和稳定性,从而实现商用。

据雷锋网了解,大型双足机器人现在能够实现的能力仍停留在直立行走,上下楼梯等基础功能阶段,而在供电能力上,由于耗电量巨大,仍然无法摆脱尾部连接交流电源的长长的电缆。当然,考虑到现在大型双足机器人就能力来看还处在学步的初级阶段,随着时间的推移,到双足机器人需要落地商用时,电池工艺和供电能力也不会成为最终阻碍。

高峰教授也指出,现在足式机器人一个很重要的问题还是动力和稳定是否能有所突破,这就需要从机械本身出发。第二个问题就是腿式机器人必须要智能,不需要人再去操控它如何行走,这就像人的五个手指头,每一个手指头就是四个电极,我们叫四个自由度,所以现在工业机器人只做到四个手指,拥有五个手指的工业机器人就无法应用了。如果用一个自由度和一个电极进行抓取动作也是可以的,如果是两个自由度去抓取那就会出现问题,如何抓取就牵扯到了机器人需要思考,也就是所谓的智能了。所以一般工业上都是一个电机来进行物体抓取的。

会跑会跳的四足机器人还需考虑落地问题

相对于双足机器人,多足机器人不论是在稳定性还是在产品迭代上都有更好的表现。

上图为此次展会上颇受欢迎的两款四足机器人,猛一看,竟有几分神似波士顿动力传闻中明年量产的spot mini,而其实,这也是现在四足机器人常用体型。其中,左边为浙江大学的四足仿生机器人“绝影”,右边为宇树科技的四足机器人莱卡狗(laikago),虽然外观有几分相似,但是据雷锋网了解,两款产品在续航能力和电机过热问题的处理能力等关键性能上还有一定的差距。

雷锋网在现场也与宇树科技联合创始人陈立进行了交流,据了解,四足机器人相对双足机器人主要优势有以下三点:

1)四足机器人相对双足机器人来说,结构更加简洁,零部件也会少很多,因而可靠性会更高;

2)由于四足机器人结构简洁,硬件成本会更低,研发周期也会短一些,这有助于加快产品和技术的迭代更新;

3)从步态种类角度来看,四足相对于双足的步态更加丰富,这也有助于研发人员寻找运动规划的突破口。

纯电驱动四足机器人是一个全新的移动平台,世界范围内2016年才出现,需要时间来迭代机器人本体技术和相应的配套技术,现在其实也存在一些技术瓶颈,例如稳定性、可靠性、续航能力和负载能力都有待进一步提高。

另外,据雷锋网了解,目前四足机器人没能够商业化量产使用,主要有两方面原因:

1)相较轮式和履带式成本过高、维修难度大;

2)没有明朗的具体商用落地场景。

以莱卡狗为例,目前主要仍是面向高校研究所及一些前沿科技公司。不过,据陈立先生介绍,莱卡狗短期内可以被用于娱乐、酷玩、展示及安防巡逻。未来莱卡狗可能会被用于勘探搜救、陪伴、军方作战平台及快递物流等领域。

独特的六足机器人

相对于四足机器人而言,上海交通大学研发的六足机器人又多出两条腿,高峰教授解释称,六足机器人最大的优势就是稳定性更高。六足机器人行走时,每次有三条腿抬起,另外三条腿就会形成一个稳定的三角形结构,这是它的一个很大的优点。承载能力也比双足机器人更大,毕竟行走时三足要比两足可承受的重量多很多。另外,如果把动力学控制做好还会有快速移动能力。

采访精选:足式机器人的技术瓶颈和我国技术发展现状

当下足式机器人发展瓶颈在哪里?

高峰:现在机器人发展一个很大的瓶颈就是智能感知,环境感知和任务认知是一个比较难的领域。以开门指令为例,机器人首先要认识什么是门,门有多少种。其实人类有时候都不一定能找得正确,所以认知就是一个大问题,机器人认知环境是机器人设计的一个前提。

因为机械本身是无智能的,如果你想让它智能,就得做机器人顶层的软件设计,从而能够把人的指令、任务以及感知的信息与机器人的行为一一对应上。也就是机器人会根据你下的任务感知信息和指令,完成行为。这些信息再与机器人的行为对应上就是智能。例如人发出指令让机器人上楼梯,它首先得找楼梯,然后测量楼梯,最后怎么上去,这些决策全靠机器人自己做出。

现在大型足式机器人都会通过电缆连接交流电源供电,您怎么看现在机器人供电的问题?

这是一个本质的问题,如果带电缆,你的机器人做得再好也不能用,所以一定要把电源单元放在身上,这样它的动力学性能才能体现出真正水平。

在全世界的发展来看,人类普遍对智能机器人期望值过高,我们第一希望它体魄好、有力量、跑得快、灵活,这就要求它本身机械部分做得好。同时,还要拥有智能,要能通过看你的眼神去做出相应行为,而且能表达它的喜怒哀乐。人和机器人在一起,如果机器人能看懂你的想法,你的眼神,然后做出相应的响应,这属于很高的智能水平,机器人如何判断人的行为,如何理解人的行为是一个很大的问题。

您认为现在中国机器人发展关键的短板在哪里?核心技术的攻关进展到什么程度?

机器人是一个机械,机械不能革命只能进化。德国在这方面做得很好,德国的机械不淘汰却总是在进步,他们用信息产业更新软件,让机械更加智能化,从而功能变得越来越强大。中国在这方面不能过于急功近利,要把机械的进化做好,也就是机械本身的设计精度、控制水平要提高,只有当一个软件进化做得越来越好,这样才能够去和世界强国竞争。

例如机器人如果和汽车行业相比,汽车技术要复杂得多。机器人内部实际上就是一个计算机单元,包括一个电机、几个显示器、一个传感器、一个驱动装置、一个控制器和一个编码器六大硬件单元。这六个硬件如果国产的能做好,再加上传感器力学的视觉陀螺,机器人问题就解决了。

关键问题在于我们的电机密度低,力距和控制精度也不高,所以大家就去国外买(很贵)。现在好很多了,我们现在做的机器人可以采用国产硬件,我们自己做的电机的功率密度已经很高了,与国外普通生厂商的电机相比已经有一定优势,但是与波士顿动力或mit做的电机相比还是存在一定差距的。

解读器现在国产的有斜坡显示器,只不过精度和寿命不如日本或德国做得好;力学传感器,国产产品做得还是挺好的;驱动器成本会高一些,国产驱动器精度不是很好,因而电机驱动器也是一个亟需解决的问题;系统设计,现在仍然面临使机器人的设计变得轻量化,可以快速响应指令,同时还要精度高的问题;另外,还有材料方面的问题。

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