靜若處子，動若脫兔。六臺人形機器人站成一列，伴隨著優(yōu)雅的音樂節(jié)奏，十二只胳膊有模有樣地舞起“千手觀音”在不久前舉辦的世界人工智能大會上，這一場景驚艷了中外觀眾。
機械剛性、動作生硬，類似于《變形金剛》中的“擎天柱”提起人形機器人，這可能是大多數(shù)人的第一印象。如今，這種印象正隨著柔性關節(jié)的應用而改變。
和人一樣，決定機器人靈活度的是關節(jié)。由達闥機器人股份有限公司(以下簡稱達闥公司)自主研制成功的柔性關節(jié)，讓機器人的動作可以像人一樣收放自如。目前，世界上公開報道擁有這一技術的公司不超過四家。
智能柔性是關鍵
什么樣的技術，能解決機器人“剛性有余、柔性不足”的問題？機器人實現(xiàn)類人運動的關鍵是什么？
這些都是達闥公司技術團隊苦苦探索求解的核心技術難點。
在達闥公司的實驗室里，科技日報記者見到卸去人形外殼的機器人“骨架”頸、肩、肘、腕、手、腰、膝、全向輪底盤等處，遍布34個智能柔性關節(jié)。
讓機器人像人，首先手要像。畫家最難描摹的部位是手，人工智能科學家最難模擬的也是手。因為手是關節(jié)最集中的部位，它的每一個動作，都是一次復雜而精準的控制過程，由多個關節(jié)協(xié)同支撐完成。
盡管機器人研發(fā)歷史已長達半個多世紀，但哪怕一個最簡單的人類動作端起一杯水遞給人然后松開，機器人依然顯得緩慢而笨拙，無法完全效仿。
“靈活的關節(jié)、精巧的控制，是機器人實現(xiàn)類人運動的關鍵。”2017年，達闥公司創(chuàng)始人黃曉慶帶領團隊開始研發(fā)服務機器人時發(fā)現(xiàn)，核心技術難點就是運動關節(jié)，“人體有206塊骨頭，已命名的關節(jié)就有78個，關節(jié)決定了機器人的靈活性，這些關節(jié)應是柔性的，它不同于工業(yè)機械臂的剛性。”
要讓機器人實現(xiàn)靈活的柔性運動，需要感知、決策、執(zhí)行等能力的綜合提升，對機器人搭載的機械硬件、電子硬件、嵌入式軟件、上層軟件、智能算法等都有更具體的要求。
“柔性關節(jié)是服務機器人的核心零部件，它必須是智能的，即每一個關節(jié)都自帶計算、通信和傳感。”黃曉慶告訴記者。
彼時，國際上只有少數(shù)幾家機構掌握智能柔性關節(jié)技術，如波士頓動力和NASA，但技術不公開，沒有經驗可循。
顛覆式創(chuàng)新設計
研發(fā)過程中，觀察人體運動成為必修課。
“上班途中的行人，辦公區(qū)行走的同事，自己的胳膊與肩膀，所有人的一舉一動，都成了研發(fā)團隊緊盯的對象。”達闥公司機器人SCA事業(yè)部高級技術總監(jiān)羅程對記者笑言，“大家當時都‘魔怔’了。”
通過觀察，他們發(fā)現(xiàn)，腿部落地時，膝關節(jié)、踝關節(jié)等人體關節(jié)柔韌性(關節(jié)的活動范圍)并非一成不變。為模擬生物關節(jié)這種特性，研發(fā)人員考慮在串聯(lián)彈性驅動關節(jié)的基礎上，增加可變剛度功能。
可變剛度的串聯(lián)彈性驅動關節(jié)是一個顛覆式創(chuàng)新思路，不僅能實現(xiàn)柔性關節(jié)的功能，還能根據(jù)機器人的運動狀態(tài)，在不改變關節(jié)勁度系數(shù)的同時，實時調整關節(jié)的剛性。
想法有了，如何實現(xiàn)？
“最開始我們按照傳統(tǒng)方法設計，但設計出來的架構總讓人無法滿意。”羅程說，研發(fā)過程中，黃曉慶常聊起研制智能手機的技術細節(jié)，比如芯片的集成、屏幕的升級等技術迭代，“我們由此想到，關節(jié)的核心部件是不是也可以這樣迭代優(yōu)化，讓其越來越輕薄，透明度也越來越好。”
機器人研發(fā)，模塊都是現(xiàn)成的，最關鍵在于底層架構如何設計。“一瞬間有種柳暗花明的感覺。”羅程興奮地說，“從敲定這個思路到做出第一臺樣機，只用了三四個月。”
參照智能手機的設計理念，他們設計的柔性關節(jié)高度集成了傳感器和嵌入算法的芯片。在多個關節(jié)的協(xié)同下，機器人開始實現(xiàn)多樣化、精準化的移動和工作。
2018年，達闥公司對外宣布研發(fā)出“可與波士頓動力比肩的服務機器人零部件”智能柔性關節(jié)(SCA)，從機械結構、核心算法、加工工藝等多個方面都實現(xiàn)了技術突破。SCA將原本獨立的元器件集成在一起并縮小了體積，就像將很多芯片集成到一塊電路板上一樣。
2019年，搭載了SCA的服務機器人亮相世界移動通信大會。它已經可以自如地握住瓶子遞給用戶，幫觀眾端咖啡，甚至還能“穿針引線”了。
核心部件自己造
讓服務機器人像智能手機一樣普及，做“人類的家庭保姆”，是達闥公司的創(chuàng)業(yè)目標。核心零部件研制出來了，但產業(yè)化又遇到大難題：國內外都沒有現(xiàn)成的、規(guī)�；漠a業(yè)配套。比如，找不到高強度、高精度、輕質的電機。
SCA的集成，越小越困難，不僅需要更強的結構設計能力，還需要制作工藝更優(yōu)的各種器件，讓體積更輕薄的同時不犧牲功率。
“求人不如求己。”黃曉慶堅信，既然設計理念類似智能手機，那生產也可以，“利用我國手機制造業(yè)的優(yōu)勢，肯定可以培育出SCA的產業(yè)配套。”
“我們建立了一套完整的架構，研發(fā)出更適應服務機器人場景和要求的核心電機。”羅程介紹，采用高性能非晶磁性材料，能提供更加穩(wěn)定的扭矩輸出和更高的效率，同時使電機體積進一步小型化、輕量化，最小可以做到直徑35毫米粗細。
2020年3月31日，達闥公司智能機器人產業(yè)基地在上海馬橋人工智能創(chuàng)新試驗區(qū)打下第一根樁。“現(xiàn)在已有超過100家機器人公司、科研院所等單位，使用SCA研制出形態(tài)不一、功能不同的機器人。”達闥公司聯(lián)合創(chuàng)始人汪兵介紹，“未來基地年生產機器人關節(jié)可實現(xiàn)1000萬臺套。”
SCA的國產化制造，正在打破機器人“四大家族”(瑞士ABB、德國庫卡、日本發(fā)那科、安川電機)的長期壟斷。2022年世界人工智能大會上，達闥公司發(fā)布的新一代產品搭載60個關節(jié)的雙足機器人，已經能相當自然流暢地行走和動手干活了。
如今，達闥公司生產線上，一個個機器人幾乎接管了人類全部工作它們不是流水線某一環(huán)節(jié)的專用機器，而是在多種工位上忙碌的人形機器。“機器生產機器”的產業(yè)變革，正在浮出地平線。
《中共中央 國務院關于促進民營經濟發(fā)展壯大的意見》近日發(fā)布，這令達闥公司備受鼓舞。“意見明確指出，鼓勵民營企業(yè)根據(jù)國家戰(zhàn)略需要和行業(yè)發(fā)展趨勢，持續(xù)加大研發(fā)投入，開展關鍵核心技術攻關，”黃曉慶說，“站在新的起點上，包括達闥公司在內的民營企業(yè)要胸懷‘國之大者’，在產業(yè)競技場上向‘控球’者轉變！”(記者 楊雪 劉艷)
來源：科技日報
