中國版人形機(jī)器人來了！34個(gè)自由度，“手眼足腦”超級復(fù)雜！
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北京時(shí)間10月1日，特斯拉舉辦2022 AI Day活動，Tesla Bot人形機(jī)器人擎天柱（Optimus）原型機(jī)在全球精彩首秀。馬斯克透露，該機(jī)器人產(chǎn)量應(yīng)該可以達(dá)到數(shù)百萬臺，預(yù)估最終價(jià)格將在2萬美元以下，3至5年間即可量產(chǎn)上市。
無獨(dú)有偶，2022年8月11日，小米北京秋季新品發(fā)布會上，小米首款全尺寸人形仿生機(jī)器人CyberOne也正式亮相。
刑天機(jī)器人長相酷似變形金剛，極其“吸睛”。不僅擁有類似人類的雙足，還有完整的頭顱、軀干。1.7m 的個(gè)子，卻有34個(gè)自由度。它由20多位研發(fā)人員，在短短2-3年時(shí)間，自主研發(fā)而成。
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人形智能機(jī)器人在工業(yè)自動化、航空航天和社會服務(wù)中將發(fā)揮關(guān)鍵作用。人形機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的光機(jī)電系統(tǒng)，具有多個(gè)自由度，運(yùn)動操作更加靈活，非但能模擬人的結(jié)構(gòu)與操作，甚至可以實(shí)現(xiàn)很多人類的行為與智能。
因此為滿足仿人需要，刑天身上采用了仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、多傳感信息感知與融合、人機(jī)交互實(shí)時(shí)控制和多學(xué)科系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)。
“它能實(shí)現(xiàn)對步伐的大小、快慢及幅度的控制。還具有典型環(huán)境和常見物體感知識別能力，能針對復(fù)雜地面環(huán)境自主規(guī)劃路線、避障等。”
技術(shù)團(tuán)隊(duì)與刑天機(jī)器人刑天主體采用高強(qiáng)度鋁合金材料，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化，提高產(chǎn)品功重比，將伺服控制元件、執(zhí)行元件、多傳感檢測元件高度集成，減小體積。在極限范圍內(nèi)進(jìn)行測試，其關(guān)節(jié)驅(qū)動器單手最大抓取質(zhì)量為 5 kg，這也是人形機(jī)器人必備的功能。
要做到高達(dá)34個(gè)自由度（關(guān)節(jié)）的人形機(jī)器人，機(jī)電硬件（主要是電機(jī)及其驅(qū)動器+減速機(jī)）、運(yùn)動軟件算法的突破和迭代必不可少，下面我們展開講講刑天的“手-眼-足-腦”一體化關(guān)鍵技術(shù)。
▍動態(tài)平衡控制算法 實(shí)現(xiàn)雙足穩(wěn)定性行走
要保持機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，其核心是要有動態(tài)穩(wěn)定性，為了使機(jī)器人在動態(tài)行走時(shí)保持重心的穩(wěn)定，零力矩點(diǎn)(ZMP)必須落在支撐面內(nèi)，所以雙足機(jī)器人進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃時(shí)必須要在ZMP理論的前提下，合理地規(guī)劃踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。
這就要求機(jī)器人腿部應(yīng)具備適當(dāng)?shù)臋C(jī)械柔順性，從而有效緩解來自未知高剛度環(huán)境(地面、障礙物等)的碰撞沖擊，保護(hù)機(jī)身及其附帶電子設(shè)備，并有利于提高機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)定性。
技術(shù)團(tuán)隊(duì)研制的刑天機(jī)器人
機(jī)器人步行動態(tài)穩(wěn)定運(yùn)動規(guī)劃
▍欠驅(qū)動多自由度手爪 實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抓取
機(jī)器人手爪的關(guān)鍵在于：安全可靠性、自適應(yīng)性和更高的智能性。安全可靠性研究確保整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)工作萬無一失，因此，要求其手爪結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)要簡單化。對于服務(wù)機(jī)器人手爪，需要提高通用性，使得手爪具備適應(yīng)各種被抓物體形狀的能力。而手爪智能化研究可以提高手爪決策的準(zhǔn)確性，減少出錯(cuò)的可能性。
刑天機(jī)器人還擁有仿人形自適應(yīng)手爪與柔性末端夾持技術(shù)。它的“左右手”均為3指結(jié)構(gòu)，每個(gè)手指可以旋轉(zhuǎn)并抓握物體，單手最大抓取質(zhì)量為5kg，采用欠驅(qū)動技術(shù)與柔性材料，能夠自動適應(yīng)不同類型的工件和不同場景的應(yīng)用。
這一核心科技，使其可以精確抓取和操作常見物體，在各種工業(yè)應(yīng)用中大展身手，形象地說，裝了手爪的機(jī)器人功能跟人手類似，讓它搬磚塊還是耍大刀，就完全要看專業(yè)認(rèn)知和技能了，它可以廣泛應(yīng)用于諸如搬移、檢測、焊接、貼標(biāo)、噴涂、組裝、鎖螺釘?shù)榷喾N工業(yè)流程和應(yīng)用場景。
▍多傳感器信息融合 快速感知環(huán)境變化
如果說擁有了完整的軀干，還需要什么，那一雙“慧眼”在智能機(jī)器人時(shí)代就顯得尤為重要。刑天設(shè)計(jì)了一種結(jié)合雙目立體相機(jī)與激光掃描儀的環(huán)境感知系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)雙目圖像的自動配準(zhǔn)與分割，并能對圖像中指定像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)進(jìn)行測量，以實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人所需的目標(biāo)檢測、識別、定位等功能。
這使得其具有典型環(huán)境和常見物體感知識別能力，同時(shí)可以對行進(jìn)路線進(jìn)行自動規(guī)劃，能夠攀爬、自主避障、在崎嶇路面行走，適應(yīng)各種地面環(huán)境。針對復(fù)雜的工作環(huán)境，刑天還可采用人工遙控操作、緊急情況處理等自主管理相結(jié)合的半自主控制方式。
刑天采用AI智能算法與高速控制芯片，提升嵌入式系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高了重復(fù)定位精度；整體控制周期從 10 ms 縮短至 2 ms，自主化絕對值磁編碼器，有效位數(shù)17位。
研制基于3D視覺傳感器與智能相機(jī)的智能抓取策略，實(shí)現(xiàn)對雜亂無章的物料進(jìn)行精準(zhǔn)識別，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人準(zhǔn)確抓取，并開發(fā)出基于深度學(xué)習(xí)缺陷識別算法，可以說是“腦力擔(dān)當(dāng)”。
刑天機(jī)器人曾在全世界100多個(gè)隊(duì)中，獲得參加美國國防部DARPA舉辦的國際機(jī)器人挑戰(zhàn)賽（DRC）資格，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)有機(jī)集成，突破環(huán)境識別、自主行走、任意抓取等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
▍鉆堅(jiān)研微，百折不撓 刑天機(jī)器人的后續(xù)開發(fā)
江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院智能制造技術(shù)研究所（集萃智造）在刑天機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)上，繼續(xù)研制液壓四足機(jī)器人，突破微小型旋轉(zhuǎn)直驅(qū)伺服閥、恒轉(zhuǎn)矩高功重比驅(qū)動電機(jī)、微小型高速高壓軸向柱塞泵等核心部件研制的關(guān)鍵技術(shù)；開展高頻響伺服驅(qū)動非線性控制研究，實(shí)現(xiàn)剛度補(bǔ)償與高動態(tài)糾偏矯正；研究低液動力結(jié)構(gòu)優(yōu)化與球副抗磨損工藝，實(shí)現(xiàn)高功功率密度驅(qū)動系統(tǒng)，解決高功率密度驅(qū)動的“卡脖子技術(shù)”問題。
采用鈦合金與有機(jī)材料復(fù)合3D打印技術(shù)，進(jìn)行耐瞬態(tài)高壓的仿血管流道設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)液壓能量的輕量化和集成化分布式傳輸；顯著提高足式機(jī)器人的爆發(fā)力、負(fù)載能力和越障能力。
液壓四足機(jī)器人
▍超10萬億市場“大蛋糕”等待分食
那么，在“機(jī)器換人”的趨勢下，人形機(jī)器人有著多大市場空間？
根據(jù)馬斯克 在 2022 年 4 月的 TED 演講，Optimus 的單價(jià)大約 2.5 萬美元 （約 16.75 萬元人民幣），有望進(jìn)入家庭作業(yè)、快速配送、工業(yè)生產(chǎn)等各種消費(fèi)級和商業(yè)級場景。到 2030 年，全球約有 4 億個(gè)工作崗位將被自動化機(jī)器人取代，按20%滲透率測算，全球人形機(jī)器人市場空間約 12-16 萬億元。
面對龐大的商業(yè)化“蛋糕”，巨頭紛紛開始行動，小米也發(fā)布了首款全尺寸人形仿生機(jī)器人——“CyberOne”， 成本約60-80萬人民幣。
國內(nèi)同樣擁有龐大的市場空間。根據(jù)IFR和中國電子學(xué)會數(shù)據(jù)，盡管人形機(jī)器人處于起步階段，參照其他電子產(chǎn)品，滲透率超過20%后將爆發(fā)式增長。按23-30年CAGR 30%測算到2030年，我國人形機(jī)器人市場規(guī)模約為8700億元。
人形機(jī)器人是一項(xiàng)需要長期投入的復(fù)雜技術(shù)，在早期商業(yè)化程度不高的階段，想要打造一臺人形機(jī)器人，就意味著企業(yè)要具備一系列核心技術(shù)的研發(fā)能力，如伺服驅(qū)動器、機(jī)械傳動、運(yùn)動規(guī)劃與控制、計(jì)算機(jī)視覺與感知、智能語音交互、SLAM與導(dǎo)航、人機(jī)交互和手眼協(xié)調(diào)等核心技術(shù)。
而短短兩三年的時(shí)間，刑天機(jī)器人能夠誕生，從工程技術(shù)上來說是非常硬核的，尤其是在突破了仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、多傳感信息感知與融合、人機(jī)交互實(shí)時(shí)控制和多學(xué)科系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)方面，能夠讓人眼前一亮。
刑天機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下多任務(wù)作業(yè)、自主行走等功能方面處于國際先進(jìn)水平，可以有效擴(kuò)展人類的工作能力，是未來關(guān)注和發(fā)展的重點(diǎn)，我們相信在將來，人形機(jī)器人或許會得到數(shù)量級的提升。
排版 | 麥子
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