机器人

关节置换新纪录看家用机器人如何突破类人运动关键技术

像处女一样安静,像野兔一样活跃。 六台人形机器人站成一排,伴随着优雅的音乐节奏,十二只手臂优雅地舞动着“千手观音”——在不久前举行的世界人工智能大会上,这一幕让中外惊叹不已。 观众。

机械刚性和僵硬的动作类似于《变形金刚》中的擎天柱——这可能是大多数人提到人形机器人时的第一印象。 如今,随着柔性关节的应用,这种印象正在改变。

就像人类一样,关节决定了机器人的灵活性。 大树机器人股份有限公司(以下简称大树)自主研发的柔性关节,让机器人可以像人类一样自由活动。 目前,全球公开报道拥有该技术的公司不超过四家。

智能灵活性是关键

什么样的技术能够解决机器人“刚性过大、柔性不足”的问题? 机器人实现类人运动的关键是什么?

这些都是大连公司技术团队一直在努力探索和解决的核心技术难点。

在达尔玛公司实验室,科技日报记者看到了去掉人形外壳的机器人“骨架”——颈、肩、肘、腕、手、腰、膝、全向轮底盘等,拥有34个智能关节灵活。

要让机器人看起来像人,它首先必须有手。 画家最难描绘的部分是手,也是人工智能科学家最难模拟的部分。 因为手是关节最多的部位,它所做的每一个动作都是一个复杂而精确的控制过程,需要多个关节的支持。

尽管机器人已经发展了半个多世纪,但即使是最简单的人类动作——拿起一杯水,递给人,然后放开——仍然缓慢而笨拙,无法被机器人完全模仿。

“灵活的关节和精致的控制是机器人实现类人动作的关键。” 2017年,当大厨公司创始人黄小青带领团队开始研发服务机器人时,他们发现核心技术难点在于运动关节。 “人体有206块骨头,有78个命名的关节。关节决定了机器人的灵活性。这些关节应该是灵活的,这与工业机器人手臂的刚性不同。”

机器人要实现灵活机动的运动,需要感知、决策、执行等能力的全面提升。 对机器人上安装的机械硬件、电子硬件、嵌入式软件、上层软件、智能算法等都有更具体的要求。

“柔性关节是服务机器人的核心部件,而且必须是智能化的,即每个关节都有自己的计算、通信和传感。” 黄晓庆告诉记者。

当时,世界上只有少数机构掌握智能柔性关节技术,例如波士顿动力公司和NASA,但该技术并未公开,也没有经验可循。

颠覆性创新设计

在研发过程中,观察人体运动成为必修课。

“上班路上的行人、办公区行走的同事、自己的手臂和肩膀,每个人的一举一动都成为了研发团队密切关注的对象。” 达达公司机器人SCA业务部高级技术总监罗成笑着对记者说,“当时大家都惊呆了。”

通过观察,他们发现,当腿落地时,膝关节、踝关节等人体关节的灵活性(关节的活动范围)并不是静止的。 为了模拟生物关节的这一特性,研究人员考虑在串联弹性驱动关节的基础上增加变刚度函数。

系列变刚度弹性传动接头是一个颠覆性的创新理念。 它不仅可以实现柔性关节的功能,而且可以在不改变关节刚度系数的情况下,根据机器人的运动状态实时调整关节的刚度。

既然你有了想法,那么如何实施呢?

“一开始,我们按照传统的方法进行设计,但设计出来的建筑总是不尽如人意。” 罗成表示,在研发过程中,黄晓庆经常谈到开发智能手机的技术细节,比如芯片集成、屏幕升级等技术迭代,“我们由此思考,关节的核心部件是否也能迭代优化,让它越来越薄,透明度越来越好。”

在机器人研发中,模块都是现成的。 最重要的是底层架构如何设计。 “一瞬间,有一种黑暗的感觉。”罗成兴奋的说道。 “从敲定这个想法到制作出第一个原型只花了三四个月的时间。”

参考智能手机的设计理念,他们设计的柔性关节与传感器和嵌入算法的芯片高度集成。 在多个关节的配合下,机器人开始实现多样化、精准的运动和工作。

2018年,DADA宣布研发出“堪比波士顿动力的服务机器人部件”——智能柔性关节(SCA),在机械结构、核心算法、加工技术等多方面实现了技术突破。 SCA将原本独立的部件集成在一起,并减小了它们的尺寸,就像将许多芯片集成到电路板上一样。

2019年,搭载SCA的服务机器人在世界移动大会上亮相。 它已经可以自由地握住瓶子并将其递给用户,帮助顾客倒咖啡,甚至可以“穿针引线”。

核心部件自主研发

让服务机器人像智能手机一样普及,充当“人类家庭保姆”,是大厨公司的创业目标。 核心零部件已经研制出来,但产业化却遇到了一个大问题:国内外没有现成的、大规模的产业配套设施。 比如,你找不到高强度、高精度、轻量化的电机。

随着设备变得越来越小,SCA的集成变得更加困难。 它不仅需要更强的结构设计能力,还需要各种器件具有更好的制造工艺,在不牺牲功率的情况下使器件越来越薄。

“为自己寻找,胜过为别人寻找。” 黄晓庆坚信,由于设计理念与智能手机类似,因此也可以进行生产。 “利用我国手机制造业的优势,一定可以培育SCA的产业配套。”

“我们已经建立了完整的架构,开发了更适合服务机器人场景和需求的核心电机。” 罗成表示,采用高性能非晶磁性材料可以提供更稳定的扭矩输出和更高的效率。 电机进一步小型化、轻量化,最小直径为35mm。

2020年3月31日,首桩在上海马桥人工智能创新实验区Datatec智能机器人产业基地奠基。 “现在已有100多家机器人公司、科研院所等单位使用SCA开发不同形状和功能的机器人。” 大楚公司联合创始人王兵表示,“未来,该基地机器人关节年产量可达100万套。”

SCA的本土化制造正在打破机器人“四大家族”(瑞士ABB、德国库卡、日本发那科、安川电机)的长期垄断。 在2022年世界人工智能大会上,大楚公司发布的下一代产品——配备60个关节的双足机器人,已经可以相当自然流畅地行走和工作。

如今,在大连公司的生产线上,机器人几乎接管了人类所有的工作——它们不是流水线某个环节的专用机器,而是忙碌在各个工作站的人形机器。 “机器生产机器”的产业变革正在兴起。

近日《中共中央 国务院关于促进民营经济发展壮大的意见》发布,给DATA带来了极大的鼓舞。 “《意见》明确指出,鼓励民营企业根据国家战略需求和行业发展趋势,继续加大研发投入,开展关键核心技术研究。”黄晓庆说。 “站在新的起点上,包括大土公司在内的民营企业一定要胸怀‘大国’,变身工业场上的‘控球’选手!”(记者杨雪、刘岩)