中國版人形機器人來了！34個自由度，“手眼足腦”超級復雜！
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北京時間10月1日，特斯拉舉辦2022 AI Day活動，Tesla Bot人形機器人擎天柱（Optimus）原型機在全球精彩首秀。馬斯克透露，該機器人產(chǎn)量應該可以達到數(shù)百萬臺，預估最終價格將在2萬美元以下，3至5年間即可量產(chǎn)上市。
無獨有偶，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器人CyberOne也正式亮相。
刑天機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 的個子，卻有34個自由度。它由20多位研發(fā)人員，在短短2-3年時間，自主研發(fā)而成。
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人形智能機器人在工業(yè)自動化、航空航天和社會服務中將發(fā)揮關鍵作用。人形機器人是一個復雜的光機電系統(tǒng)，具有多個自由度，運動操作更加靈活，非但能模擬人的結構與操作，甚至可以實現(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構設計、結構輕量化設計、多傳感信息感知與融合、人機交互實時控制和多學科系統(tǒng)集成等關鍵技術。
“它能實現(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，能針對復雜地面環(huán)境自主規(guī)劃路線、避障等。”
技術團隊與刑天機器人刑天主體采用高強度鋁合金材料，能夠實現(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)進行測試，其關節(jié)驅動器單手最大抓取質量為 5 kg，這也是人形機器人必備的功能。
要做到高達34個自由度（關節(jié)）的人形機器人，機電硬件（主要是電機及其驅動器+減速機）、運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”一體化關鍵技術。
▍動態(tài)平衡控制算法 實現(xiàn)雙足穩(wěn)定性行走
要保持機器人行走的穩(wěn)定性，其核心是要有動態(tài)穩(wěn)定性，為了使機器人在動態(tài)行走時保持重心的穩(wěn)定，零力矩點(ZMP)必須落在支撐面內(nèi)，所以雙足機器人進行步態(tài)規(guī)劃時必須要在ZMP理論的前提下，合理地規(guī)劃踝關節(jié)和髖關節(jié)。
這就要求機器人腿部應具備適當?shù)臋C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，保護機身及其附帶電子設備，并有利于提高機器人運動穩(wěn)定性。
技術團隊研制的刑天機器人
機器人步行動態(tài)穩(wěn)定運動規(guī)劃
▍欠驅動多自由度手爪 實現(xiàn)自適應抓取
機器人手爪的關鍵在于：安全可靠性、自適應性和更高的智能性。安全可靠性研究確保整個機器人系統(tǒng)工作萬無一失，因此，要求其手爪結構和控制系統(tǒng)要簡單化。對于服務機器人手爪，需要提高通用性，使得手爪具備適應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確性，減少出錯的可能性。
刑天機器人還擁有仿人形自適應手爪與柔性末端夾持技術。它的“左右手”均為3指結構，每個手指可以旋轉并抓握物體，單手最大抓取質量為5kg，采用欠驅動技術與柔性材料，能夠自動適應不同類型的工件和不同場景的應用。
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)應用中大展身手，形象地說，裝了手爪的機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)認知和技能了，它可以廣泛應用于諸如搬移、檢測、焊接、貼標、噴涂、組裝、鎖螺釘?shù)榷喾N工業(yè)流程和應用場景。
▍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”在智能機器人時代就顯得尤為重要。刑天設計了一種結合雙目立體相機與激光掃描儀的環(huán)境感知系統(tǒng)，可以實現(xiàn)雙目圖像的自動配準與分割，并能對圖像中指定像素點的三維坐標進行測量，以實現(xiàn)仿人機器人所需的目標檢測、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，同時可以對行進路線進行自動規(guī)劃，能夠攀爬、自主避障、在崎嶇路面行走，適應各種地面環(huán)境。針對復雜的工作環(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)的響應速度，提高了重復定位精度；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的智能抓取策略，實現(xiàn)對雜亂無章的物料進行精準識別，實現(xiàn)機器人準確抓取，并開發(fā)出基于深度學習缺陷識別算法，可以說是“腦力擔當”。
刑天機器人曾在全世界100多個隊中，獲得參加美國國防部DARPA舉辦的國際機器人挑戰(zhàn)賽（DRC）資格，實現(xiàn)了整個機器人系統(tǒng)有機集成，突破環(huán)境識別、自主行走、任意抓取等多項關鍵技術。
▍鉆堅研微，百折不撓 刑天機器人的后續(xù)開發(fā)
江蘇省產(chǎn)業(yè)技術研究院智能制造技術研究所（集萃智造）在刑天機器人技術基礎上，繼續(xù)研制液壓四足機器人，突破微小型旋轉直驅伺服閥、恒轉矩高功重比驅動電機、微小型高速高壓軸向柱塞泵等核心部件研制的關鍵技術；開展高頻響伺服驅動非線性控制研究，實現(xiàn)剛度補償與高動態(tài)糾偏矯正；研究低液動力結構優(yōu)化與球副抗磨損工藝，實現(xiàn)高功功率密度驅動系統(tǒng)，解決高功率密度驅動的“卡脖子技術”問題。
采用鈦合金與有機材料復合3D打印技術，進行耐瞬態(tài)高壓的仿血管流道設計，實現(xiàn)液壓能量的輕量化和集成化分布式傳輸；顯著提高足式機器人的爆發(fā)力、負載能力和越障能力。
液壓四足機器人
▍超10萬億市場“大蛋糕”等待分食
那么，在“機器換人”的趨勢下，人形機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 的單價大約 2.5 萬美元 （約 16.75 萬元人民幣），有望進入家庭作業(yè)、快速配送、工業(yè)生產(chǎn)等各種消費級和商業(yè)級場景。到 2030 年，全球約有 4 億個工作崗位將被自動化機器人取代，按20%滲透率測算，全球人形機器人市場空間約 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和中國電子學會數(shù)據(jù)，盡管人形機器人處于起步階段，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，我國人形機器人市場規(guī)模約為8700億元。
人形機器人是一項需要長期投入的復雜技術，在早期商業(yè)化程度不高的階段，想要打造一臺人形機器人，就意味著企業(yè)要具備一系列核心技術的研發(fā)能力，如伺服驅動器、機械傳動、運動規(guī)劃與控制、計算機視覺與感知、智能語音交互、SLAM與導航、人機交互和手眼協(xié)調等核心技術。
而短短兩三年的時間，刑天機器人能夠誕生，從工程技術上來說是非常硬核的，尤其是在突破了仿生機構設計、結構輕量化設計、多傳感信息感知與融合、人機交互實時控制和多學科系統(tǒng)集成等關鍵技術方面，能夠讓人眼前一亮。
刑天機器人在復雜環(huán)境下多任務作業(yè)、自主行走等功能方面處于國際先進水平，可以有效擴展人類的工作能力，是未來關注和發(fā)展的重點，我們相信在將來，人形機器人或許會得到數(shù)量級的提升。
排版 | 麥子
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