北京時間10月1日，特(te)斯拉舉辦2022 AI Day活(huo)動，Tesla Bot人(ren)形機器人(ren)擎天柱(zhu)（Optimus）原型機在全球精彩首秀。馬斯克透露，該機器人產(chan)量應該可(ke)以(yi)達到數百萬臺(tai)，預估最終價格(ge)將在2萬美(mei)元以(yi)下(xia)，3至5年間即可(ke)量產(chan)上市。
這(zhe)是(shi)擎天柱（Optimus）第一(yi)次在無人(ren)操作(zuo)的情況下自主行走，特斯拉沒有為這(zhe)款機器人(ren)安裝外殼，而(er)是(shi)直接將內部構造呈(cheng)現出(chu)來，關節(jie)、骨骼、電纜等(deng)設備清晰可見。它能靈活地提起水(shui)壺(hu)澆花、雙手(shou)搬運物(wu)料至目(mu)標位置(zhi)、準(zhun)確定位周圍(wei)人(ren)員并主動避讓。無(wu)獨有(you)偶，2022年8月11日，小米北京秋季新品發布會上，小米首(shou)款全尺寸人(ren)形仿生機器(qi)人(ren)CyberOne也正(zheng)式亮相。
其(qi)實早在(zai)多(duo)年前，駱敏(min)舟(zhou)就帶領技術團隊(dui)研(yan)發出人形雙足機器人，取名刑天—中國遠古(gu)神話傳說人物，手使一柄(bing)巨斧和盾(dun)牌，身強力(li)壯，體型(xing)巨大的上古(gu)神人。刑天機器(qi)人(ren)長(chang)相酷似(si)變(bian)形金剛，極其“吸睛(jing)”。不僅擁有類似(si)人(ren)類的(de)雙足，還有完整的(de)頭顱、軀(qu)干。1.7m 的(de)個子，卻有34個自由度。它由20多(duo)位(wei)研(yan)發人員，在短短2-3年(nian)時間，自(zi)主研(yan)發而(er)成。
人(ren)形(xing)雙足機器(qi)人(ren)—刑天(tian)人形智能機器(qi)人在工業自動化(hua)、航(hang)空(kong)航(hang)天和社(she)會服務中將(jiang)發揮關鍵作(zuo)用(yong)。人形機器(qi)人是一個(ge)復雜的光(guang)機電系統(tong)，具(ju)有多(duo)(duo)個(ge)自(zi)由度，運動操作更加(jia)靈活，非但能模擬人的結構與操作，甚(shen)至可以(yi)實現很(hen)多(duo)(duo)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(fang)生機構(gou)設計、結構(gou)輕量化設計、多傳感信息感知與(yu)融合(he)、人(ren)機交互實時控制和多學科系統集成等關鍵技術。“它能實現對步伐(fa)的(de)大小、快慢及幅(fu)度(du)的(de)控制。還具有典型環(huan)境(jing)和常見(jian)物(wu)體感知識別能力(li)，能針對復雜地面環(huan)境(jing)自主規(gui)劃(hua)路(lu)線、避障等。”
刑天主體(ti)采用高(gao)強度鋁(lv)合金材(cai)料，能(neng)(neng)夠實現輕量(liang)化，提高(gao)產品功(gong)重(zhong)比，將伺服(fu)控制元(yuan)件、執行元(yuan)件、多傳感檢測元(yuan)件高(gao)度集(ji)成，減(jian)小(xiao)體(ti)積。在極限范圍內進行測試，其關節(jie)驅動器單手最大抓取(qu)質量(liang)為 5 kg，這(zhe)也是人形機器人必備的功(gong)能(neng)(neng)。要(yao)做到高達(da)34個自由(you)度(du)（關節）的人形(xing)機器人，機電硬件（主要是電機及其(qi)驅動器+減(jian)速機）、運動軟件算法的突破和迭代(dai)必(bi)不可少，下面我們展(zhan)開講講刑天的“手-眼-足-腦”一體化關鍵技(ji)術。
▍動態平衡控(kong)制算法 實現(xian)雙(shuang)足穩定性行走
要保持機(ji)器人行走的穩定性(xing)，其核心是要有動(dong)態穩定性(xing)，為(wei)了使機器(qi)人在動態行(xing)走(zou)時保持重心的(de)穩定，零(ling)力矩點(ZMP)必(bi)須落在支撐面(mian)內，所以(yi)雙足機器(qi)人進行(xing)步態規劃(hua)時必(bi)須要在ZMP理(li)論的(de)前提下，合理(li)地規劃(hua)踝(huai)關節(jie)和(he)髖關節(jie)。這就要求機器人(ren)腿部應具備適當的機械(xie)柔順性，從而(er)有(you)效緩解來自(zi)未知高(gao)剛度環(huan)境(jing)(地面、障礙物(wu)等)的碰(peng)撞沖擊，保護(hu)機身及其(qi)附(fu)帶電(dian)子設備，并有(you)利(li)于提高(gao)機器人(ren)運動穩定性。
技(ji)術團隊研制的刑天機器人
因此，研發人(ren)(ren)員將(jiang)人(ren)(ren)類的(de)(de)膝蓋(gai)和其(qi)運動過程中所(suo)受的(de)(de)力(li)(li)線(xian)性化，從而學習如何(he)讓機器人(ren)(ren)膝蓋(gai)使用更(geng)少的(de)(de)力(li)(li)來構建，讓其(qi)能實現(xian)更(geng)好(hao)的(de)(de)力(li)(li)度控制，并讓相(xiang)關結構緊(jin)密包(bao)裹在(zai)膝蓋(gai)周圍。
機器人步行動(dong)態穩定運動(dong)規劃
▍欠(qian)驅動多自(zi)(zi)由(you)度(du)手爪 實現自(zi)(zi)適(shi)應抓取
機器人手(shou)爪(zhua)的關鍵(jian)在(zai)于(yu)：安全可靠性、自適應(ying)性和更高的智(zhi)能性。安(an)全可靠性研究確(que)保(bao)整個機器(qi)(qi)人(ren)系統(tong)工作萬無一失，因此，要求其手(shou)爪(zhua)(zhua)(zhua)結構和控制(zhi)系統(tong)要簡單化。對于服(fu)務(wu)機器(qi)(qi)人(ren)手(shou)爪(zhua)(zhua)(zhua)，需要提高(gao)通用性，使得手(shou)爪(zhua)(zhua)(zhua)具備適(shi)應各種被抓(zhua)物體形(xing)狀的能力。而(er)手(shou)爪(zhua)(zhua)(zhua)智能化研究可以(yi)提高(gao)手(shou)爪(zhua)(zhua)(zhua)決策的準確(que)性，減少出(chu)錯的可能性。刑天機器人還(huan)擁(yong)有(you)仿(fang)人(ren)形自適(shi)應手爪(zhua)與柔性末端夾持技術(shu)。它(ta)的“左右手”均為3指結構，每個手指(zhi)可以(yi)旋轉并抓握物體(ti)，單手最大抓取質量為5kg，采用欠(qian)驅動技術與柔性材料，能夠(gou)自(zi)動適應不(bu)同類型的工件和不(bu)同場景(jing)的應用。這一核心科技，使其可以精確(que)抓取和操作(zuo)常(chang)見物體，在各種工業應用中(zhong)大(da)展身手，形象(xiang)地說，裝了手爪的(de)機器(qi)人功能跟人手類似，讓它搬磚塊還是耍大(da)刀，就完全(quan)要看專業認(ren)知和技能了，它可以廣泛應用于(yu)諸如搬移、檢測、焊接、貼標(biao)、噴(pen)涂、組裝(zhuang)、鎖螺釘等多(duo)種工業流程和應用場景。
欠(qian)驅動(dong)多(duo)自(zi)由度手爪▍多傳感(gan)器信(xin)息融合 快速感(gan)知環境變(bian)化
如果(guo)說擁(yong)有了(le)完整的軀干(gan)，還需要(yao)什么，那一雙“慧眼”在智能機器人時(shi)代就顯得尤為重(zhong)要。刑天(tian)設計了一種結(jie)合雙(shuang)目立體相(xiang)機與激光掃(sao)描儀的(de)環境(jing)感知系統(tong)，可以實(shi)現雙(shuang)目圖像的(de)自動配準與分(fen)割，并能對圖像中指定像素點(dian)的(de)三維坐標(biao)進行測量(liang)，以實現(xian)仿(fang)人機(ji)器人所(suo)需(xu)的(de)目標檢(jian)測(ce)、識別、定(ding)位等功能。這(zhe)使得其具有典型環境和常見物體感知識別能力，同時可以對行(xing)進路線進行(xing)自動規劃，能夠攀爬、自主避障、在崎嶇(qu)路面(mian)行(xing)走，適(shi)應各種(zhong)地面(mian)環境。針對復雜的工作環境，刑天還可采用(yong)人工遙(yao)控操作、緊急情況(kuang)處理等(deng)自主(zhu)管理相結合(he)的半(ban)自主(zhu)控制方式。刑天采用AI智能算法與高速(su)控(kong)制芯(xin)片，提升嵌(qian)入式系統的響應速(su)度，提高了重復定位精度；整體控(kong)制周期從 10 ms 縮短至(zhi) 2 ms，自(zi)主化絕(jue)對值磁編碼器，有效位數17位。研制基于3D視(shi)覺傳(chuan)感(gan)器(qi)與智能(neng)相機的(de)智能(neng)抓取策略，實現對雜亂無章(zhang)的(de)物(wu)料(liao)進(jin)行精(jing)準識別(bie)，實現機器人準確抓取，并(bing)開發(fa)出基(ji)于深度學習(xi)缺(que)陷(xian)識別算(suan)法(fa)，可(ke)以(yi)說(shuo)是“腦力擔當(dang)”。刑天機器人(ren)曾在全(quan)世界100多個隊中，獲(huo)得參加(jia)美國(guo)國(guo)防部(bu)DARPA舉辦的(de)國(guo)際機器人(ren)挑(tiao)戰賽（DRC）資格，實現了整個機器人系統有機集成，突破環(huan)境識別、自主行走、任(ren)意抓取等多(duo)項關鍵技(ji)術。
▍鉆(zhan)堅研微，百折不撓 刑天(tian)機器(qi)人(ren)的后續開(kai)發
江蘇省產業技(ji)術研(yan)究(jiu)院(yuan)智能制造技(ji)術研(yan)究(jiu)所（集萃智(zhi)造）在刑天機器人技術(shu)基礎(chu)上，繼續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(gao)頻響伺服驅(qu)動(dong)(dong)非(fei)線性控制研究(jiu)，實現剛度(du)補償與(yu)高(gao)動(dong)(dong)態糾偏(pian)矯正；研究(jiu)低液動(dong)(dong)力結構優化與(yu)球副抗磨損工(gong)藝，實現高(gao)功功率(lv)密度(du)驅(qu)動(dong)(dong)系統，解決高(gao)功率(lv)密度(du)驅(qu)動(dong)(dong)的“卡脖子技術(shu)”問題。采用(yong)鈦合金與有機材(cai)料(liao)復合3D打印技術，進行耐瞬態(tai)高壓的仿血(xue)管流(liu)道設計，實現液壓能(neng)(neng)量的輕(qing)量化和(he)集(ji)成化分布式傳輸；顯著提高足式機器人的爆發力、負載(zai)能(neng)(neng)力和(he)越障(zhang)能(neng)(neng)力。
液(ye)壓(ya)四足機器人
▍超10萬億(yi)市場“大蛋(dan)糕”等待分食
那么，在(zai)“機器換人”的趨(qu)勢下，人形機器人有著多大市場(chang)空間(jian)？
根(gen)據馬斯克 在 2022 年 4 月的 TED 演講，Optimus 的單價大(da)約 2.5 萬(wan)美(mei)元(yuan) （約 16.75 萬(wan)元(yuan)人民幣(bi)），有望進入家(jia)庭作業、快(kuai)速配送(song)、工業生產等(deng)各種消費級和(he)商業級場(chang)景(jing)。到(dao) 2030 年，全球約有 4 億個工作崗位將被自動(dong)化機器人取代，按(an)20%滲(shen)透率測算，全球人(ren)形機器人(ren)市場空(kong)間約 12-16 萬億(yi)元。
面對龐(pang)大的商(shang)業(ye)化“蛋糕”，巨(ju)頭(tou)紛(fen)紛(fen)開始(shi)行動，小米也(ye)發布了首(shou)款(kuan)全尺寸人形仿(fang)生(sheng)機器(qi)人——“CyberOne”， 成本約60-80萬人民(min)幣。國(guo)內同樣擁有(you)龐(pang)大(da)的市(shi)場(chang)空間。根(gen)據IFR和中國(guo)電子學會數據，盡管人(ren)形機器人(ren)處于(yu)起(qi)步(bu)階段，參照其他電子產品，滲透(tou)率超(chao)過20%后將(jiang)爆發(fa)式增長。按23-30年CAGR 30%測(ce)算到2030年，我國人(ren)形(xing)機(ji)器人(ren)市場規模約為(wei)8700億元。
人形(xing)機(ji)(ji)器(qi)人是一(yi)項(xiang)需要(yao)(yao)長期投入的(de)復雜技術，在(zai)早(zao)期商業(ye)(ye)化程度(du)不高的(de)階段，想(xiang)要(yao)(yao)打造一(yi)臺人形(xing)機(ji)(ji)器(qi)人，就意味著企業(ye)(ye)要(yao)(yao)具備一(yi)系(xi)列核心技術的(de)研發能力，如伺服驅動(dong)器(qi)、機(ji)(ji)械傳動(dong)、運動(dong)規劃與控制、計算機(ji)(ji)視覺與感知、智能語(yu)音交互(hu)、SLAM與導航、人機(ji)(ji)交互(hu)和(he)手(shou)眼協調等核心技術。而短短兩三年的時間(jian)，刑天機器人能夠誕(dan)生，從工程(cheng)技(ji)術上來(lai)說是(shi)非常硬核的，尤其是(shi)在突破了仿(fang)生機構(gou)設計、結構(gou)輕量化(hua)設計、多傳感(gan)信息感(gan)知(zhi)與融合(he)、人機交互實(shi)時(shi)控制和多學(xue)科系統(tong)集成等關鍵技術方面，能夠(gou)讓人眼前一(yi)亮。刑天機器人在(zai)復(fu)雜環(huan)境下多任務作業、自主行走等功能方面處(chu)于國際先進水平，可以有效擴展(zhan)人類的工(gong)作能力，是未來關注和發(fa)展(zhan)的重點，我(wo)們(men)相信在將來，人(ren)形機(ji)器人(ren)或許會得(de)到數量(liang)級(ji)的提升。
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