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關(guān)節(jié)換新記——看國(guó)產(chǎn)機(jī)器人如何突破類人運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)
靜若處子，動(dòng)若脫兔。六臺(tái)人形機(jī)器人站成一列，伴隨著優(yōu)雅的音樂(lè)節(jié)奏，十二只胳膊有模有樣地舞起“千手觀音”——在不久前舉辦的世界人工智能大會(huì)上，這一場(chǎng)景驚艷了中外觀眾。
機(jī)械剛性、動(dòng)作生硬，類似于《變形金剛》中的“擎天柱”——提起人形機(jī)器人，這可能是大多數(shù)人的第一印象。如今，這種印象正隨著柔性關(guān)節(jié)的應(yīng)用而改變。
和人一樣，決定機(jī)器人靈活度的是關(guān)節(jié)。由達(dá)闥機(jī)器人股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱達(dá)闥公司)自主研制成功的柔性關(guān)節(jié)，讓機(jī)器人的動(dòng)作可以像人一樣收放自如。目前，世界上公開(kāi)報(bào)道擁有這一技術(shù)的公司不超過(guò)四家。
智能柔性是關(guān)鍵
什么樣的技術(shù)，能解決機(jī)器人“剛性有余、柔性不足”的問(wèn)題？機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是什么？
這些都是達(dá)闥公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)苦苦探索求解的核心技術(shù)難點(diǎn)。
在達(dá)闥公司的實(shí)驗(yàn)室里，科技日?qǐng)?bào)記者見(jiàn)到卸去人形外殼的機(jī)器人“骨架”——頸、肩、肘、腕、手、腰、膝、全向輪底盤等處，遍布34個(gè)智能柔性關(guān)節(jié)。
讓機(jī)器人像人，首先手要像。畫家最難描摹的部位是手，人工智能科學(xué)家最難模擬的也是手。因?yàn)槭质顷P(guān)節(jié)最集中的部位，它的每一個(gè)動(dòng)作，都是一次復(fù)雜而精準(zhǔn)的控制過(guò)程，由多個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)同支撐完成。
盡管機(jī)器人研發(fā)歷史已長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)，但哪怕一個(gè)最簡(jiǎn)單的人類動(dòng)作——端起一杯水遞給人然后松開(kāi)，機(jī)器人依然顯得緩慢而笨拙，無(wú)法完全效仿。
“靈活的關(guān)節(jié)、精巧的控制，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類人運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。”2017年，達(dá)闥公司創(chuàng)始人黃曉慶帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)服務(wù)機(jī)器人時(shí)發(fā)現(xiàn)，核心技術(shù)難點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，“人體有206塊骨頭，已命名的關(guān)節(jié)就有78個(gè)，關(guān)節(jié)決定了機(jī)器人的靈活性，這些關(guān)節(jié)應(yīng)是柔性的，它不同于工業(yè)機(jī)械臂的剛性。”
要讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈活的柔性運(yùn)動(dòng)，需要感知、決策、執(zhí)行等能力的綜合提升，對(duì)機(jī)器人搭載的機(jī)械硬件、電子硬件、嵌入式軟件、上層軟件、智能算法等都有更具體的要求。
“柔性關(guān)節(jié)是服務(wù)機(jī)器人的核心零部件，它必須是智能的，即每一個(gè)關(guān)節(jié)都自帶計(jì)算、通信和傳感。”黃曉慶告訴記者。
彼時(shí)，國(guó)際上只有少數(shù)幾家機(jī)構(gòu)掌握智能柔性關(guān)節(jié)技術(shù)，如波士頓動(dòng)力和NASA，但技術(shù)不公開(kāi)，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可循。
顛覆式創(chuàng)新設(shè)計(jì)
研發(fā)過(guò)程中，觀察人體運(yùn)動(dòng)成為必修課。
“上班途中的行人，辦公區(qū)行走的同事，自己的胳膊與肩膀，所有人的一舉一動(dòng)，都成了研發(fā)團(tuán)隊(duì)緊盯的對(duì)象。”達(dá)闥公司機(jī)器人SCA事業(yè)部高級(jí)技術(shù)總監(jiān)羅程對(duì)記者笑言，“大家當(dāng)時(shí)都‘魔怔’了。”
通過(guò)觀察，他們發(fā)現(xiàn)，腿部落地時(shí)，膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等人體關(guān)節(jié)柔韌性(關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍)并非一成不變。為模擬生物關(guān)節(jié)這種特性，研發(fā)人員考慮在串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上，增加可變剛度功能。
可變剛度的串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)是一個(gè)顛覆式創(chuàng)新思路，不僅能實(shí)現(xiàn)柔性關(guān)節(jié)的功能，還能根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在不改變關(guān)節(jié)勁度系數(shù)的同時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)的剛性。
想法有了，如何實(shí)現(xiàn)？
“最開(kāi)始我們按照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)出來(lái)的架構(gòu)總讓人無(wú)法滿意。”羅程說(shuō)，研發(fā)過(guò)程中，黃曉慶常聊起研制智能手機(jī)的技術(shù)細(xì)節(jié)，比如芯片的集成、屏幕的升級(jí)等技術(shù)迭代，“我們由此想到，關(guān)節(jié)的核心部件是不是也可以這樣迭代優(yōu)化，讓其越來(lái)越輕薄，透明度也越來(lái)越好。”
機(jī)器人研發(fā)，模塊都是現(xiàn)成的，最關(guān)鍵在于底層架構(gòu)如何設(shè)計(jì)。“一瞬間有種柳暗花明的感覺(jué)。”羅程興奮地說(shuō)，“從敲定這個(gè)思路到做出第一臺(tái)樣機(jī)，只用了三四個(gè)月。”
參照智能手機(jī)的設(shè)計(jì)理念，他們?cè)O(shè)計(jì)的柔性關(guān)節(jié)高度集成了傳感器和嵌入算法的芯片。在多個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)同下，機(jī)器人開(kāi)始實(shí)現(xiàn)多樣化、精準(zhǔn)化的移動(dòng)和工作。
2018年，達(dá)闥公司對(duì)外宣布研發(fā)出“可與波士頓動(dòng)力比肩的服務(wù)機(jī)器人零部件”——智能柔性關(guān)節(jié)(SCA)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)、核心算法、加工工藝等多個(gè)方面都實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。SCA將原本獨(dú)立的元器件集成在一起并縮小了體積，就像將很多芯片集成到一塊電路板上一樣。
2019年，搭載了SCA的服務(wù)機(jī)器人亮相世界移動(dòng)通信大會(huì)。它已經(jīng)可以自如地握住瓶子遞給用戶，幫觀眾端咖啡，甚至還能“穿針引線”了。
核心部件自己造
讓服務(wù)機(jī)器人像智能手機(jī)一樣普及，做“人類的家庭保姆”，是達(dá)闥公司的創(chuàng)業(yè)目標(biāo)。核心零部件研制出來(lái)了，但產(chǎn)業(yè)化又遇到大難題：國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有現(xiàn)成的、規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)配套。比如，找不到高強(qiáng)度、高精度、輕質(zhì)的電機(jī)。
SCA的集成，越小越困難，不僅需要更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，還需要制作工藝更優(yōu)的各種器件，讓體積更輕薄的同時(shí)不犧牲功率。
“求人不如求己。”黃曉慶堅(jiān)信，既然設(shè)計(jì)理念類似智能手機(jī)，那生產(chǎn)也可以，“利用我國(guó)手機(jī)制造業(yè)的優(yōu)勢(shì)，肯定可以培育出SCA的產(chǎn)業(yè)配套。”
“我們建立了一套完整的架構(gòu)，研發(fā)出更適應(yīng)服務(wù)機(jī)器人場(chǎng)景和要求的核心電機(jī)。”羅程介紹，采用高性能非晶磁性材料，能提供更加穩(wěn)定的扭矩輸出和更高的效率，同時(shí)使電機(jī)體積進(jìn)一步小型化、輕量化，最小可以做到直徑35毫米粗細(xì)。
2020年3月31日，達(dá)闥公司智能機(jī)器人產(chǎn)業(yè)基地在上海馬橋人工智能創(chuàng)新試驗(yàn)區(qū)打下第一根樁。“現(xiàn)在已有超過(guò)100家機(jī)器人公司、科研院所等單位，使用SCA研制出形態(tài)不一、功能不同的機(jī)器人。”達(dá)闥公司聯(lián)合創(chuàng)始人汪兵介紹，“未來(lái)基地年生產(chǎn)機(jī)器人關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)1000萬(wàn)臺(tái)套。”
SCA的國(guó)產(chǎn)化制造，正在打破機(jī)器人“四大家族”(瑞士ABB、德國(guó)庫(kù)卡、日本發(fā)那科、安川電機(jī))的長(zhǎng)期壟斷。2022年世界人工智能大會(huì)上，達(dá)闥公司發(fā)布的新一代產(chǎn)品——搭載60個(gè)關(guān)節(jié)的雙足機(jī)器人，已經(jīng)能相當(dāng)自然流暢地行走和動(dòng)手干活了。
如今，達(dá)闥公司生產(chǎn)線上，一個(gè)個(gè)機(jī)器人幾乎接管了人類全部工作——它們不是流水線某一環(huán)節(jié)的專用機(jī)器，而是在多種工位上忙碌的人形機(jī)器。“機(jī)器生產(chǎn)機(jī)器”的產(chǎn)業(yè)變革，正在浮出地平線。
《中共中央 國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)民營(yíng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展壯大的意見(jiàn)》近日發(fā)布，這令達(dá)闥公司備受鼓舞。“意見(jiàn)明確指出，鼓勵(lì)民營(yíng)企業(yè)根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略需要和行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，持續(xù)加大研發(fā)投入，開(kāi)展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，”黃曉慶說(shuō)，“站在新的起點(diǎn)上，包括達(dá)闥公司在內(nèi)的民營(yíng)企業(yè)要胸懷‘國(guó)之大者’，在產(chǎn)業(yè)競(jìng)技場(chǎng)上向‘控球’者轉(zhuǎn)變！”(記者 楊雪 劉艷)
