這個(gè)機(jī)器牛是頂流

劉芯伶

從節(jié)目表現(xiàn)來看，拓荒牛的先進(jìn)性在于動(dòng)作自然柔順，反應(yīng)快速準(zhǔn)確。這種人都很難做得到的表演，有賴于系統(tǒng)和控制兩方面的高效結(jié)合。

讓機(jī)器人“整齊劃一”有多難

據(jù)提供“拓荒牛”機(jī)器人的公司介紹，它本體重量 60 kg，最大負(fù)重達(dá)到 15 kg，采用了通用力控關(guān)節(jié)，同時(shí)滿足高精度高帶寬力矩控制和較大的力矩質(zhì)量比，其背后蘊(yùn)含著一系列中國(guó)科技企業(yè)自主研發(fā)的硬核技術(shù)：高性能實(shí)時(shí)主控系統(tǒng)、力控伺服驅(qū)動(dòng)器、全動(dòng)力學(xué)優(yōu)化算法、激光雷達(dá)定位導(dǎo)航算法

讓數(shù)十臺(tái)機(jī)器人以整齊劃一的動(dòng)作完成表演，在硬件控制和軟件算法上都存在著許多難點(diǎn)。以今年春晚上亮相的“拓荒?！睘槔饕y點(diǎn)有二。

一是力控關(guān)節(jié)

要具備優(yōu)美、連貫的肢體表現(xiàn)力，關(guān)節(jié)的靈活運(yùn)用起到了關(guān)鍵的作用?！巴鼗呐！睓C(jī)器人能夠做出高難度動(dòng)作，也是歸功于此。它共有16個(gè)自由度：每條腿3個(gè)自由度 （共計(jì)12個(gè)）、頭部3個(gè)自由度、尾巴1個(gè)自由度。在擁有如此多的自由度下，能讓“關(guān)節(jié)”精準(zhǔn)地輸出位置和力矩，力控伺服驅(qū)動(dòng)器是核心。簡(jiǎn)單來說，就是機(jī)器人身上的每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，在接收到指令之后會(huì)做到實(shí)時(shí)響應(yīng);多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器“協(xié)同運(yùn)行”，便可以讓機(jī)器人靈活運(yùn)動(dòng)起來了。

從硬件構(gòu)成來看，伺服驅(qū)動(dòng)器主要包括了電機(jī)、減速器、碼盤和力矩反饋單元等。針對(duì)“拓荒?！钡谋硌萑蝿?wù)，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器各個(gè)硬件的選型，也成為了一個(gè)重要的問題。這一問題靠利用正反驅(qū)固有頻率匹配和慣量匹配的方法，得到很好的解決。

與其他四足機(jī)器人產(chǎn)品不同，“拓荒?！彼淖銠C(jī)器人采用的通用力控關(guān)節(jié)，未來能夠在其他機(jī)器人產(chǎn)品上作為腿部和手臂關(guān)節(jié)使用。值得一提的是，這是在2020年10月才剛剛研發(fā)出來的。

二是步態(tài)算法和定位算法

從舞臺(tái)上“拓荒?！钡谋硌葜胁浑y看出，大型四足機(jī)器人在臺(tái)上不僅要快速行進(jìn)，而且還要完成高難度動(dòng)作，這就需要高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制算法，來實(shí)現(xiàn)給定軌跡的跟蹤。

提供機(jī)器人的企業(yè)早前在大型仿人服務(wù)機(jī)器人Walker的研發(fā)中，對(duì)“基于優(yōu)化的全身運(yùn)動(dòng)控制”算法軟件庫很熟悉，使得此次對(duì)于“拓荒?！睓C(jī)器人的算法研發(fā)工作，并不是“從0到1”的過程。在Walker的動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，他們快速研制出適用于四足機(jī)器人的模型。

除此之外，要完成表演，還需根據(jù)舞蹈的動(dòng)作命令，利用軟件庫實(shí)時(shí)求解出各個(gè)關(guān)節(jié)所需要的力矩。同時(shí)對(duì)“演員”在舞臺(tái)的定位也是算法層面的另一個(gè)難題。為此， 工程師們針對(duì)舞臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，優(yōu)化了激光雷達(dá)建圖定位算法，建立了舞臺(tái)的3D地圖，解決了這一問題。

與此同時(shí)，在高性能算力的支持下，這些復(fù)雜的算法才能夠控制在1kHZ下實(shí)時(shí)完成。

機(jī)器人大賽中的四足機(jī)器人

四足機(jī)器人在大學(xué)生機(jī)器人比賽中也常有亮相。據(jù)北京科技大學(xué)MEI機(jī)器人隊(duì)輔導(dǎo)老師介紹，在ROBOCON比賽中采用的四足機(jī)器人，以雷達(dá)紅藍(lán)場(chǎng)互換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，運(yùn)用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器，在設(shè)計(jì)出擺動(dòng)軌跡后，計(jì)算出電機(jī)在運(yùn)動(dòng)時(shí)刻擺動(dòng)的角度，以實(shí)現(xiàn)跳躍避障、原地轉(zhuǎn)向和步態(tài)平衡。

在人工智能和機(jī)器人教育蓬勃發(fā)展的大形勢(shì)下，四足機(jī)器人由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、部署方便，能夠幫助學(xué)生快速理解和實(shí)踐基礎(chǔ)人工智能和機(jī)器人知識(shí)，助力高?？蒲薪逃?另外在商業(yè)服務(wù)、安防巡檢等領(lǐng)域，四足機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中有更好的運(yùn)動(dòng)能力，能夠?yàn)楦餍懈鳂I(yè)提供智能服務(wù)。

目前四足機(jī)器人沒有正式開售，前期硬件、軟件及其他研發(fā)費(fèi)用較高，市場(chǎng)上的剛性需求并不清晰，商業(yè)化仍待時(shí)間考驗(yàn)。且從市場(chǎng)規(guī)模和國(guó)家政策支持來看，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景十分廣闊。機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展以技術(shù)進(jìn)步為導(dǎo)向，相信隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷更新迭代，智能機(jī)器人將會(huì)走進(jìn)千家萬戶，讓我們的生活更加便捷、更加智能。

責(zé)任編輯：樸添勤