浙大机器狗"绝影"逆袭：曾被波士顿动力虐得太惨了
發布時間：2023/11/21
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浙大机器狗"绝影"逆袭：曾被波士顿动力虐得太惨了
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不管怎么說，一談起仿生機器人，波士頓動力就是一個永遠繞不過的存在。
從雙足人形機器人，到 Spot mini 四足機器人，波士頓動力機器人展示出來的實力，不僅在美國一枝獨秀，對比歐洲團隊也有相當明顯的優勢。
坦白說，波士頓動力自1992年成立以來，一直依賴美國國防部和 Alphabet 等財力雄厚的資助者。強大的資源支持和多年的技術積累，讓波士頓動力憑一己之力，幾乎將全球腿足機器人劃分成了兩個陣營，波士頓動力和其他。
如今，包括波士頓動力在內的四足機器人團隊已經開始了商業化探索，中國亦有機器人團隊造出了四足機器人，同時也開始在市場上尋找合適的商用場景。
朱秋國是浙江大學控制科學與工程學院 & 工程師學院的碩士生導師，且帶領團隊開發了浙大著名的四足機器人“絕影”。日前，他接受了 DeepTech 的專訪。
在交流中，朱秋國多次對波士頓動力的實力表示贊賞，也承認中國機器人團隊在這方面還處于追趕狀態，不過中國的優勢在于市場更大，中國企業也對新興產品有更高的接受度，這讓中國的 “波士頓動力” 們在商用落地上并不落后，甚至能借助更加開放的中國市場，在應用方面實現趕超。
幾年前，朱秋國剛開始進入腿足機器人研究領域時，發現被波士頓動力“虐得太慘”：“看到他們發布新的進展，我會覺得挑戰很大。”
波士頓動力時不常的高調炫技，使其成為國際上很多機器人團隊樹立的追趕目標，其中就包括朱秋國所在團隊。
朱秋國希望也能造出靈巧快速移動、具備高動態平衡能力的機器人。
經過數年的開發，2019年11月1日，四足機器人 “絕影” 最新迭代版本發布，在運動性能和感知能力方面得到了進一步提升，特別是在復雜地形上的奔跑步態和跳躍步態的實現，在四足機器人的控制算法上再次取得突破。
如今的 “絕影” 身長85厘米，站立時身高65厘米，體重約40千克，外形更加靈敏、圓潤。憑借仿生腿部設計以及更加強大的關節驅動能力，新 “絕影” 可以躍過約40厘米的障礙物，原地起跳高度70厘米，立定跳遠距離可達1.5米。
“絕影”可以后腿發力、前腿前撲，以重心上下起伏的姿態奔跑，并平穩地跑過布滿大塊磚石的路面。同時，新 “絕影” 具備足夠的感知能力，可以順利地找到自己的“狗窩”——充電樁，趴上去為自己充電。
朱秋國表示，此次升級將機器人的尺寸、重量調整到了更加合理的范圍。“我們想開發一個面向行業應用的、且更加輕盈的機器人，而此前的版本更多是考慮機器人的負重能力，因此在重量上略顯笨重。”
在用途上，“絕影”不會像波士頓動力早期的大狗一樣，具備上百公斤的負重能力。新 “絕影” 的負重能力在10-20公斤左右。只需要搭載一些輕量的傳感器，即可滿足巡檢等實際場景的應用需求。
雖然同樣都是四足機器人，但朱秋國團隊開發 “絕影” 的思路和波士頓動力有著明顯的區別。
早期波士頓動力的四足機器人大狗采用的是液壓驅動，而 “絕影” 則一直采用的都是全電機驅動。這與機器人的負載和運動能力有著直接的關系。
追求液壓驅動的關鍵原因就在于其力量很大。在尺寸相當的情況下，選擇液壓驅動的機器狗相比全電機驅動的機器狗，在負重能力上具有明顯優勢。
不過，對液壓驅動的機器人來說，每一個液壓泵都需要配備一個大功率的發動機或電機，這意味著在提升液壓泵壓力時，會帶來噪音問題。“從波士頓早期視頻來看，帶了一個發動機的機器人，大老遠都能聽到響聲，這在軍用領域是非常致命的?！辈ㄊ款D動力的大狗機器人也正因此被美國軍方冷落，有業界專家告訴 DeepTech，除了噪音，液壓驅動還存在漏油以及維護不便等問題。
波士頓動力為了處理這些問題也花了不少力氣，同時其強大的研發、工程制造能力也在其中得到體現。
從此前放出的演示視頻來看，波士頓動力將液壓驅動所必須的油管以3D 打印的方式融入在機器人的腿部結構內。相關專家解讀稱，“這個技術非常厲害，就像人的血管一樣，它不再需要外掛的油管，而是能夠融到機器人體內，同時將整個結構做的非常緊湊?！?/section>
“除了波士頓動力，能做好液壓機器人的團隊，在全球范圍內都非常有限。”朱秋國強調，波士頓動力有著強大的研究和制造能力，這需要一個龐大的工程團隊來支撐。
縱觀國內機器人研究，朱秋國認為國內對液壓機器人的研究，與波士頓動力相比差距仍然較大。而開發電機驅動的機器人是一個更好的選擇。
這也剛好符合了全球運動機器人領域的發展趨勢。如今全球范圍內多數腿足機器人都選擇了電機驅動的方式，這對中國機器人研究來說是一個機會。
在機器人上采用電機驅動，相對來說是一個更加成熟的技術，“絕影身上采用的電機與波士頓動力開發的電機相比，盡管在性能上會存在差距，但這種差異不會是機器人運動能力的決定性因素?！敝烨飮f道。
因此，單從硬件角度看，電機本身并不是決定各機器人表現的最關鍵要素，而是要把機器人機構、驅動關節、以及控制算法等有機地融合，才能在整體上具有更加優異的運動表現。
已經獲得成熟應用的工業機器人，比如機器手，能夠進行非常精準的動作。在諸多行業的生產制造環節，機器手可以進行自動化程度極高的生產工作，在效率和精準性上已經優于人類。
與各種運動機器人相比，四足機器人憑借其在行走過程中的離散接觸特性，在復雜環境中的探索和工作，具有更強的適應性，尤其在有障礙物的通道（如臺階、樓梯、斜坡）上具有更廣闊的發展前景。
不過，由于要在各種各樣的地形上進行穩定行走，腿足機器人除了要實現精準的控制，動作卻不能像工業機器人那樣“硬”。
為此，腿足機器人腿部的執行關節部分要采用柔性驅動的方式，降低機器人足部著地過程的沖擊力，同時又可以完成既定任務，提高機器人的適應性。
麻省理工學院的學者最先將串聯彈性驅動器（Series Elastic Actuator，SEA）應用到步行機器人的驅動關節中。SEA 將彈性元件串聯在剛性驅動器與負載之間，從而實現精確的力度控制。如今，瑞士蘇黎世聯邦理工學院機器人系統實驗室開發的四足機器人 ANYmal 正采用了這一方案。
而從波士頓動力公布的專利來看，Spot mini 采用的是電機 + 諧波減速器，以及力傳感器的方式來實現柔性控制。
與以上兩種方案都不同，朱秋國團隊選擇了一種準直驅的方式來帶動機器人腿部運動。
這三種驅動方式都能在控制層面輸出一定的柔性，最終都要做到關節不僅僅可以精確地進行位置控制，同時還要對力度進行控制。這是腿足機器人與傳統工業機械手臂的最大差別。
這種柔性是腿足機器人在復雜地形下保持穩定的關鍵因素。機器人在行走時的靈活性和穩定性與此息息相關。
對腿足機器人開發工作而言，這是硬件設計層面的要點之一，也是判斷機器人是否具備柔性控制的基本條件。
三種硬件設計方案都是為了解決同一個柔性問題，而設計的不同則會帶來機器人能力上的差異。
從目前國內外公開的數據來看，比如在速度方面，波士頓動力 spot mini 的最大運動速度為5.76公里 / 小時；新 “絕影” 最高速度能夠超過7公里 / 小時；蘇黎世聯邦理工學院的機器人則為3.6公里 / 小時。
但不足之處在于，“絕影”的腿部關節顯得更大。波士頓動力的 spot mini 的設計方式決定了關節比較輕巧，其對緊湊性的追求讓它在美觀性上有更好的表現。不過朱秋國也指出，由于需要在關節內增加力傳感器，這會帶來可靠性和穩定性方面的挑戰。
硬件層面的設計就是為了更好地被控制，而控制的目的就是讓硬件能展現出更好的靈活性，兩者之間是相輔相成的。因此，軟硬件的配合才至關重要。
朱秋國表示，在以前的機器人研究中，軟硬件之間的關系常被忽視。“有時候做軟件的人和做機械的是兩撥人。”但要造出一臺好的機器人，軟硬件需要進行很好的結合。
“在腿足機器人領域，除了硬件水平需要不斷提高外，控制算法會是一個更加優先需要考慮的因素?！?/section>
因此，在腿足機器人的開發中，需要從一開始就考慮軟硬件的配合問題。據朱秋國介紹，團隊成立機器人公司云深處之初，就配備了機械工程師、控制算法工程師以及負責系統控制的工程師。資料顯示，云深處科技創立于2017年底，并于2018年7月完成天使輪融資。
朱秋國表示，只有先確定控制算法、明確了控制方式之后，才能通過機械設計，完成所需的機器人平臺。最終，機器人開發才能朝著一個良性的方向發展。
“在中國，四足機器人市場在未來一兩年就會有非常明顯的進展?！?/section>
朱秋國認為，在技術層面，中國團隊和國外有著多年積累的團隊還有一定差距，需要繼續追趕；但在應用層面，國內卻不見得比國外慢。
目前，波士頓動力已經開始探索四足機器人的商用場景。
2019年9月，波士頓動力宣布 Spot mini 已開始銷售。這意味著這臺明星機器人已經走出實驗室，開啟了商用化的探索。同時這也是波士頓動力構建其平臺和生態的開始。
波士頓動力當時稱這種銷售為“早期采用者計劃”，主要針對企業用戶。其公司不會透露具體的價格細節，只是稱，潛在客戶如與他們聯系，可獲取報價，并且會有租賃的選擇。
“我們正在做的是 Spot 的產品化，” 波士頓動力公司首席執行官 Marc Raibert 表示，“對于我們來說，從在實驗室工作的機器人到可以在現場進行測試的機器人，這確實是一個里程碑?！?/section>
作為一個剛面市不久，未在市場里證明自己商業實力的四足機器人產品，波士頓動力宣布開售機器狗的消息受到廣泛的關注。
在太平洋的另一岸，朱秋國團隊也開始了產業化探索，稱 “絕影 mini” 版本已經開始對外銷售，主要面向教育教學方向，為其他機器人研發團隊提供硬件產品，讓他們在機器人上進行算法開發工作。
對于 “絕影” 機器人，朱秋國表示也已經與國內公司開展合作，目前主要是將 “絕影” 應用于巡檢行業中。
現階段，巡檢領域已經在部分場景下采用了輪式機器人，在一定范圍內代替人進行日常設施檢查。由于巡檢范圍可能包括了山區、郊外等，輪式機器人無法覆蓋復雜的地形條件，對臺階、碎石等路面情況也束手無策。
“腿足機器人在短距離內從事巡檢工作一定是未來趨勢?！?/strong>朱秋國說得頗有自信?！爱斘覀兊臋C器人能力不斷進步，人們的對四足機器人的認識不斷增強的時候，人們終會發現一臺腿足機器人完全可以代替輪式機器人，巡檢的范圍也能拓展到更大范圍?！?/section>
朱秋國表示，腿足機器人會在應用過程中不斷迭代、優化，保障其使用的穩定性和可靠性僅僅只是時間問題。
在那之后，腿足機器人將展現出輪式機器人無法比擬的優勢。比如在散布碎石、坑洼的地面，腿足機器人能夠更好跨越，同時能夠實現上下樓梯?？偟膩碚f，跨越復雜地形、上下樓梯會成為腿足機器人對比輪式機器人的最大優勢。
于此同時，腿足機器人在硬件成本上比輪式機器人多出來的部分僅在于執行關節，目前執行關節作為機器人的關鍵部件在造價上有很好的成本控制方案，尤其是在實現量產后，售價可以做到與輪式相當的水平，幾乎可以將價格劣勢抹平。
“可以預測，四足機器人市場在未來1、2年就會有非常明顯的進展。在2020年市場上就能看到腿足機器人投入實際應用，到2021年，大家將更愿意接受腿足機器人這樣的新生的事物。”朱秋國最后說道。
總結
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