浙大机器狗"绝影"逆袭:曾被波士顿动力虐得太惨了

2020-01-10 18:21:23 来源: DeepTech深科技 举报
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(原标题:“曾经被波士顿动力虐得太惨了”:浙大机器狗“绝影”的逆袭,从技术上 “被虐” 到应用上追赶)

不管怎么说,一谈起仿生机器人,波士顿动力就是一个永远绕不过的存在。
从双足人形机器人,到 Spot mini 四足机器人,波士顿动力机器人展示出来的实力,不仅在美国一枝独秀,对比欧洲团队也有相当明显的优势。
坦白说,波士顿动力自1992年成立以来,一直依赖美国国防部和 Alphabet 等财力雄厚的资助者。强大的资源支持和多年的技术积累,让波士顿动力凭一己之力,几乎将全球腿足机器人划分成了两个阵营,波士顿动力和其他。

浙大机器狗绝影逆袭::曾被波士顿动力虐得太惨了

图 | 波士顿动力双足机器人(来源:波士顿动力)

如今,包括波士顿动力在内的四足机器人团队已经开始了商业化探索,中国亦有机器人团队造出了四足机器人,同时也开始在市场上寻找合适的商用场景。
朱秋国是浙江大学控制科学与工程学院 & 工程师学院的硕士生导师,且带领团队开发了浙大著名的四足机器人“绝影”。日前,他接受了 DeepTech 的专访。
在交流中,朱秋国多次对波士顿动力的实力表示赞赏,也承认中国机器人团队在这方面还处于追赶状态,不过中国的优势在于市场更大,中国企业也对新兴产品有更高的接受度,这让中国的 “波士顿动力” 们在商用落地上并不落后,甚至能借助更加开放的中国市场,在应用方面实现赶超
浙大机器狗绝影逆袭::曾被波士顿动力虐得太惨了
 图 | 朱秋国
“被波士顿动力虐的太惨了!
几年前,朱秋国刚开始进入腿足机器人研究领域时,发现被波士顿动力“虐得太惨”:“看到他们发布新的进展,我会觉得挑战很大。”
波士顿动力时不常的高调炫技,使其成为国际上很多机器人团队树立的追赶目标,其中就包括朱秋国所在团队。
朱秋国希望也能造出灵巧快速移动、具备高动态平衡能力的机器人。
经过数年的开发,2019年11月1日,四足机器人 “绝影” 最新迭代版本发布,在运动性能和感知能力方面得到了进一步提升,特别是在复杂地形上的奔跑步态和跳跃步态的实现,在四足机器人的控制算法上再次取得突破
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如今的 “绝影” 身长85厘米,站立时身高65厘米,体重约40千克,外形更加灵敏、圆润。凭借仿生腿部设计以及更加强大的关节驱动能力,新 “绝影” 可以跃过约40厘米的障碍物,原地起跳高度70厘米,立定跳远距离可达1.5米。
“绝影”可以后腿发力、前腿前扑,以重心上下起伏的姿态奔跑,并平稳地跑过布满大块砖石的路面。同时,新 “绝影” 具备足够的感知能力,可以顺利地找到自己的“狗窝”——充电桩,趴上去为自己充电。
朱秋国表示,此次升级将机器人的尺寸、重量调整到了更加合理的范围。“我们想开发一个面向行业应用的、且更加轻盈的机器人,而此前的版本更多是考虑机器人的负重能力,因此在重量上略显笨重。”
浙大机器狗绝影逆袭::曾被波士顿动力虐得太惨了
在用途上,“绝影”不会像波士顿动力早期的大狗一样,具备上百公斤的负重能力。新 “绝影” 的负重能力在10-20公斤左右。只需要搭载一些轻量的传感器,即可满足巡检等实际场景的应用需求。
虽然同样都是四足机器人,但朱秋国团队开发 “绝影” 的思路和波士顿动力有着明显的区别。
早期波士顿动力的四足机器人大狗采用的是液压驱动,而 “绝影” 则一直采用的都是全电机驱动。这与机器人的负载和运动能力有着直接的关系。
追求液压驱动的关键原因就在于其力量很大。在尺寸相当的情况下,选择液压驱动的机器狗相比全电机驱动的机器狗,在负重能力上具有明显优势。
不过,对液压驱动的机器人来说,每一个液压泵都需要配备一个大功率的发动机或电机,这意味着在提升液压泵压力时,会带来噪音问题。“从波士顿早期视频来看,带了一个发动机的机器人,大老远都能听到响声,这在军用领域是非常致命的。”波士顿动力的大狗机器人也正因此被美国军方冷落,有业界专家告诉 DeepTech,除了噪音,液压驱动还存在漏油以及维护不便等问题
波士顿动力为了处理这些问题也花了不少力气,同时其强大的研发、工程制造能力也在其中得到体现。
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从此前放出的演示视频来看,波士顿动力将液压驱动所必须的油管以3D 打印的方式融入在机器人的腿部结构内。相关专家解读称,“这个技术非常厉害,就像人的血管一样,它不再需要外挂的油管,而是能够融到机器人体内,同时将整个结构做的非常紧凑。”
“除了波士顿动力,能做好液压机器人的团队,在全球范围内都非常有限。”朱秋国强调,波士顿动力有着强大的研究和制造能力,这需要一个庞大的工程团队来支撑。
纵观国内机器人研究,朱秋国认为国内对液压机器人的研究,与波士顿动力相比差距仍然较大。而开发电机驱动的机器人是一个更好的选择。
这也刚好符合了全球运动机器人领域的发展趋势。如今全球范围内多数腿足机器人都选择了电机驱动的方式,这对中国机器人研究来说是一个机会。
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在机器人上采用电机驱动,相对来说是一个更加成熟的技术,“绝影身上采用的电机与波士顿动力开发的电机相比,尽管在性能上会存在差距,但这种差异不会是机器人运动能力的决定性因素。”朱秋国说道。
此外,电机控制的实现难度也相对较低。
因此,单从硬件角度看,电机本身并不是决定各机器人表现的最关键要素,而是要把机器人机构、驱动关节、以及控制算法等有机地融合,才能在整体上具有更加优异的运动表现。
软硬件配合是关键 
已经获得成熟应用的工业机器人,比如机器手,能够进行非常精准的动作。在诸多行业的生产制造环节,机器手可以进行自动化程度极高的生产工作,在效率和精准性上已经优于人类。
与各种运动机器人相比,四足机器人凭借其在行走过程中的离散接触特性,在复杂环境中的探索和工作,具有更强的适应性,尤其在有障碍物的通道(如台阶、楼梯、斜坡)上具有更广阔的发展前景。
不过,由于要在各种各样的地形上进行稳定行走,腿足机器人除了要实现精准的控制,动作却不能像工业机器人那样“硬”。
为此,腿足机器人腿部的执行关节部分要采用柔性驱动的方式,降低机器人足部着地过程的冲击力,同时又可以完成既定任务,提高机器人的适应性。
麻省理工学院的学者最先将串联弹性驱动器(Series Elastic Actuator,SEA)应用到步行机器人的驱动关节中。SEA 将弹性元件串联在刚性驱动器与负载之间,从而实现精确的力度控制。如今,瑞士苏黎世联邦理工学院机器人系统实验室开发的四足机器人 ANYmal 正采用了这一方案。
而从波士顿动力公布的专利来看,Spot mini 采用的是电机 + 谐波减速器,以及力传感器的方式来实现柔性控制。
与以上两种方案都不同,朱秋国团队选择了一种准直驱的方式来带动机器人腿部运动。

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图|Spot 机器人(来源:波士顿动力)

这三种驱动方式都能在控制层面输出一定的柔性,最终都要做到关节不仅仅可以精确地进行位置控制,同时还要对力度进行控制。这是腿足机器人与传统工业机械手臂的最大差别。
这种柔性是腿足机器人在复杂地形下保持稳定的关键因素。机器人在行走时的灵活性和稳定性与此息息相关。
对腿足机器人开发工作而言,这是硬件设计层面的要点之一,也是判断机器人是否具备柔性控制的基本条件。
三种硬件设计方案都是为了解决同一个柔性问题,而设计的不同则会带来机器人能力上的差异。
从目前国内外公开的数据来看,比如在速度方面,波士顿动力 spot mini 的最大运动速度为5.76公里 / 小时;新 “绝影” 最高速度能够超过7公里 / 小时;苏黎世联邦理工学院的机器人则为3.6公里 / 小时。
这也体现出 “绝影” 对机器人快速运动的追求。
但不足之处在于,“绝影”的腿部关节显得更大。波士顿动力的 spot mini 的设计方式决定了关节比较轻巧,其对紧凑性的追求让它在美观性上有更好的表现。不过朱秋国也指出,由于需要在关节内增加力传感器,这会带来可靠性和稳定性方面的挑战。
硬件层面的设计就是为了更好地被控制,而控制的目的就是让硬件能展现出更好的灵活性,两者之间是相辅相成的。因此,软硬件的配合才至关重要。
浙大机器狗绝影逆袭::曾被波士顿动力虐得太惨了
朱秋国表示,在以前的机器人研究中,软硬件之间的关系常被忽视。“有时候做软件的人和做机械的是两拨人。”但要造出一台好的机器人,软硬件需要进行很好的结合。
“在腿足机器人领域,除了硬件水平需要不断提高外,控制算法会是一个更加优先需要考虑的因素。”
因此,在腿足机器人的开发中,需要从一开始就考虑软硬件的配合问题。据朱秋国介绍,团队成立机器人公司云深处之初,就配备了机械工程师、控制算法工程师以及负责系统控制的工程师。资料显示,云深处科技创立于2017年底,并于2018年7月完成天使轮融资。
朱秋国表示,只有先确定控制算法、明确了控制方式之后,才能通过机械设计,完成所需的机器人平台。最终,机器人开发才能朝着一个良性的方向发展。
中国机器人市场优势 
“在中国,四足机器人市场在未来一两年就会有非常明显的进展。”
朱秋国认为,在技术层面,中国团队和国外有着多年积累的团队还有一定差距,需要继续追赶;但在应用层面,国内却不见得比国外慢。
目前,波士顿动力已经开始探索四足机器人的商用场景。
 2019年9月,波士顿动力宣布 Spot mini 已开始销售。这意味着这台明星机器人已经走出实验室,开启了商用化的探索。同时这也是波士顿动力构建其平台和生态的开始。
波士顿动力当时称这种销售为“早期采用者计划”,主要针对企业用户。其公司不会透露具体的价格细节,只是称,潜在客户如与他们联系,可获取报价,并且会有租赁的选择。
“我们正在做的是 Spot 的产品化,” 波士顿动力公司首席执行官 Marc Raibert 表示,“对于我们来说,从在实验室工作的机器人到可以在现场进行测试的机器人,这确实是一个里程碑。”
作为一个刚面市不久,未在市场里证明自己商业实力的四足机器人产品,波士顿动力宣布开售机器狗的消息受到广泛的关注。
浙大机器狗绝影逆袭::曾被波士顿动力虐得太惨了
在太平洋的另一岸,朱秋国团队也开始了产业化探索,称 “绝影 mini” 版本已经开始对外销售,主要面向教育教学方向,为其他机器人研发团队提供硬件产品,让他们在机器人上进行算法开发工作。
对于 “绝影” 机器人,朱秋国表示也已经与国内公司开展合作,目前主要是将 “绝影” 应用于巡检行业中。
现阶段,巡检领域已经在部分场景下采用了轮式机器人,在一定范围内代替人进行日常设施检查。由于巡检范围可能包括了山区、郊外等,轮式机器人无法覆盖复杂的地形条件,对台阶、碎石等路面情况也束手无策。
“腿足机器人在短距离内从事巡检工作一定是未来趋势。” 朱秋国说得颇有自信。“当我们的机器人能力不断进步,人们的对四足机器人的认识不断增强的时候,人们终会发现一台腿足机器人完全可以代替轮式机器人,巡检的范围也能拓展到更大范围。”
朱秋国表示,腿足机器人会在应用过程中不断迭代、优化,保障其使用的稳定性和可靠性仅仅只是时间问题。
在那之后,腿足机器人将展现出轮式机器人无法比拟的优势。比如在散布碎石、坑洼的地面,腿足机器人能够更好跨越,同时能够实现上下楼梯。总的来说,跨越复杂地形、上下楼梯会成为腿足机器人对比轮式机器人的最大优势。
于此同时,腿足机器人在硬件成本上比轮式机器人多出来的部分仅在于执行关节,目前执行关节作为机器人的关键部件在造价上有很好的成本控制方案,尤其是在实现量产后,售价可以做到与轮式相当的水平,几乎可以将价格劣势抹平。
“可以预测,四足机器人市场在未来1、2年就会有非常明显的进展。在2020年市场上就能看到腿足机器人投入实际应用,到2021年,大家将更愿意接受腿足机器人这样的新生的事物。”朱秋国最后说道。

yaoliwei 本文来源:DeepTech深科技 责任编辑:姚立伟_NT6056
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