“曾经被波士顿动力虐得太惨了”:浙大机器狗“绝影”逆袭
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(yōu)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(shù)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。
波士頓動力雙足機器人(來源:波士頓動力)
如今,包括波士頓動力在內(nèi)的四足機器人團隊已經(jīng)開始了商業(yè)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?guī)ьI(lǐng)團隊開發(fā)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(tài),不過中國的優(yōu)勢在于市場更大,中國企業(yè)也對新興產(chǎn)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(xiàn)趕超。
圖朱秋國
一、“被波士頓動力虐的太慘了!”
幾年前,朱秋國剛開始進入腿足機器人研究領(lǐng)域時,發(fā)現(xiàn)被波士頓動力“虐得太慘”:“看到他們發(fā)布新的進展,我會覺得挑戰(zhàn)很大。”
波士頓動力時不常的高調(diào)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(tài)平衡能力的機器人。
經(jīng)過數(shù)年的開發(fā),2019 年 11 月 1 日,四足機器人 “絕影” 最新迭代版本發(fā)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(tài)和跳躍步態(tài)的實現(xiàn),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(shè)計以及更加強大的關(guān)節(jié)驅(qū)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(fā)力、前腿前撲,以重心上下起伏的姿態(tài)奔跑,并平穩(wěn)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(diào)整到了更加合理的范圍。“我們想開發(fā)一個面向行業(yè)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(fā) “絕影” 的思路和波士頓動力有著明顯的區(qū)別。
早期波士頓動力的四足機器人大狗采用的是液壓驅(qū)動,而 “絕影” 則一直采用的都是全電機驅(qū)動。這與機器人的負載和運動能力有著直接的關(guān)系。
追求液壓驅(qū)動的關(guān)鍵原因就在于其力量很大。在尺寸相當?shù)那闆r下,選擇液壓驅(qū)動的機器狗相比全電機驅(qū)動的機器狗,在負重能力上具有明顯優(yōu)勢。
不過,對液壓驅(qū)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(fā)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(fā)動機的機器人,大老遠都能聽到響聲,這在軍用領(lǐng)域是非常致命的。”波士頓動力的大狗機器人也正因此被美國軍方冷落,有業(yè)界專家告訴 DeepTech,除了噪音,液壓驅(qū)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(fā)、工程制造能力也在其中得到體現(xiàn)。
從此前放出的演示視頻來看,波士頓動力將液壓驅(qū)動所必須的油管以 3D 打印的方式融入在機器人的腿部結(jié)構(gòu)內(nèi)。相關(guān)專家解讀稱,“這個技術(shù)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(nèi),同時將整個結(jié)構(gòu)做的非常緊湊。”
“除了波士頓動力,能做好液壓機器人的團隊,在全球范圍內(nèi)都非常有限。”朱秋國強調(diào),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(nèi)機器人研究,朱秋國認為國內(nèi)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(fā)電機驅(qū)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(lǐng)域的發(fā)展趨勢。如今全球范圍內(nèi)多數(shù)腿足機器人都選擇了電機驅(qū)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(qū)動,相對來說是一個更加成熟的技術(shù),“絕影身上采用的電機與波士頓動力開發(fā)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。”朱秋國說道。
此外,電機控制的實現(xiàn)難度也相對較低。
因此,單從硬件角度看,電機本身并不是決定各機器人表現(xiàn)的最關(guān)鍵要素,而是要把機器人機構(gòu)、驅(qū)動關(guān)節(jié)、以及控制算法等有機地融合,才能在整體上具有更加優(yōu)異的運動表現(xiàn)。
二、軟硬件配合是關(guān)鍵
已經(jīng)獲得成熟應用的工業(yè)機器人,比如機器手,能夠進行非常精準的動作。在諸多行業(yè)的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié),機器手可以進行自動化程度極高的生產(chǎn)工作,在效率和精準性上已經(jīng)優(yōu)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(huán)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(fā)展前景。
不過,由于要在各種各樣的地形上進行穩(wěn)定行走,腿足機器人除了要實現(xiàn)精準的控制,動作卻不能像工業(yè)機器人那樣“硬”。
為此,腿足機器人腿部的執(zhí)行關(guān)節(jié)部分要采用柔性驅(qū)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(wù),提高機器人的適應性。
麻省理工學院的學者最先將串聯(lián)彈性驅(qū)動器(Series Elastic Actuator,SEA)應用到步行機器人的驅(qū)動關(guān)節(jié)中。SEA 將彈性元件串聯(lián)在剛性驅(qū)動器與負載之間,從而實現(xiàn)精確的力度控制。如今,瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院機器人系統(tǒng)實驗室開發(fā)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(xiàn)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(qū)的方式來帶動機器人腿部運動。
圖|Spot 機器人(來源:波士頓動力)
這三種驅(qū)動方式都能在控制層面輸出一定的柔性,最終都要做到關(guān)節(jié)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(tǒng)工業(yè)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(wěn)定的關(guān)鍵因素。機器人在行走時的靈活性和穩(wěn)定性與此息息相關(guān)。
對腿足機器人開發(fā)工作而言,這是硬件設(shè)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(shè)計方案都是為了解決同一個柔性問題,而設(shè)計的不同則會帶來機器人能力上的差異。
從目前國內(nèi)外公開的數(shù)據(jù)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(lián)邦理工學院的機器人則為 3.6 公里 / 小時。
這也體現(xiàn)出 “絕影” 對機器人快速運動的追求。
但不足之處在于,“絕影”的腿部關(guān)節(jié)顯得更大。波士頓動力的 spot mini 的設(shè)計方式?jīng)Q定了關(guān)節(jié)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(xiàn)。不過朱秋國也指出,由于需要在關(guān)節(jié)內(nèi)增加力傳感器,這會帶來可靠性和穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。
硬件層面的設(shè)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(xiàn)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(guān)重要。
朱秋國表示,在以前的機器人研究中,軟硬件之間的關(guān)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(jié)合。
“在腿足機器人領(lǐng)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(yōu)先需要考慮的因素。”
因此,在腿足機器人的開發(fā)中,需要從一開始就考慮軟硬件的配合問題。據(jù)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(tǒng)控制的工程師。資料顯示,云深處科技創(chuàng)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(shè)計,完成所需的機器人平臺。最終,機器人開發(fā)才能朝著一個良性的方向發(fā)展。
三、中國機器人市場優(yōu)勢
“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。”
朱秋國認為,在技術(shù)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(xù)追趕;但在應用層面,國內(nèi)卻不見得比國外慢。
目前,波士頓動力已經(jīng)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(jīng)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(gòu)建其平臺和生態(tài)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(yè)用戶。其公司不會透露具體的價格細節(jié),只是稱,潛在客戶如與他們聯(lián)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(chǎn)品化,” 波士頓動力公司首席執(zhí)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(xiàn)場進行測試的機器人,這確實是一個里程碑。”
作為一個剛面市不久,未在市場里證明自己商業(yè)實力的四足機器人產(chǎn)品,波士頓動力宣布開售機器狗的消息受到廣泛的關(guān)注。
在太平洋的另一岸,朱秋國團隊也開始了產(chǎn)業(yè)化探索,稱 “絕影 mini” 版本已經(jīng)開始對外銷售,主要面向教育教學方向,為其他機器人研發(fā)團隊提供硬件產(chǎn)品,讓他們在機器人上進行算法開發(fā)工作。
對于 “絕影” 機器人,朱秋國表示也已經(jīng)與國內(nèi)公司開展合作,目前主要是將 “絕影” 應用于巡檢行業(yè)中。
現(xiàn)階段,巡檢領(lǐng)域已經(jīng)在部分場景下采用了輪式機器人,在一定范圍內(nèi)代替人進行日常設(shè)施檢查。由于巡檢范圍可能包括了山區(qū)、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(nèi)從事巡檢工作一定是未來趨勢。” 朱秋國說得頗有自信。“當我們的機器人能力不斷進步,人們的對四足機器人的認識不斷增強的時候,人們終會發(fā)現(xiàn)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。”
朱秋國表示,腿足機器人會在應用過程中不斷迭代、優(yōu)化,保障其使用的穩(wěn)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(xiàn)出輪式機器人無法比擬的優(yōu)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?qū)崿F(xiàn)上下樓梯。總的來說,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(yōu)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(zhí)行關(guān)節(jié),目前執(zhí)行關(guān)節(jié)作為機器人的關(guān)鍵部件在造價上有很好的成本控制方案,尤其是在實現(xiàn)量產(chǎn)后,售價可以做到與輪式相當?shù)乃剑瑤缀蹩梢詫r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(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的“曾经被波士顿动力虐得太惨了”:浙大机器狗“绝影”逆袭的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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