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人形机器人黑科技解密:后空翻、动手指都靠它

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智东西

作者 | 程茜

编辑 | 心缘

曲折的2022年终于成了“过去时”,回望过去一年全球机器人重大事件,想必马斯克的特斯拉人形机器人“擎天柱”会高票入选。

自2021年8月马斯克大张声势预告特斯拉要造机器人起,商用人形机器人迅速成燎原之势。2022年,不仅科技大厂小米、特斯拉的人形机器人相继露面,连家电界设计“天花板”戴森亦宣布将在10年内推出可以做家务的人形机器人。

其中热度最高的特斯拉人形机器人“擎天柱”,原型机一出场,口碑便两级分化,有人盛赞它是多重技术进步的集大成者,也有人因为它的步履蹒跚大感失望,原本期待特斯拉甩大招,谁料没等来一个能上厅堂下厨房的机器人,却等来一个行动笨拙缓慢的裸露电线版原型机……

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特斯拉人形机器人“擎天柱”(Optimus)现身2022年特斯拉AI Day

论身手敏捷程度,比起早就能做跑酷、360°后空翻等极限运动的波士顿动力人形机器人Atlas,后进者特斯拉“擎天柱”似乎相差甚远。

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波士顿动力人形机器人Atlas翻跟头

问题的关键,藏在机器人的“关节”里。

人体的关节决定了做各种动作的灵活性,机器人的“关节”驱动器(Actuator)同样如此。正是因为“关节”设计方法的差别,Atlas与“擎天柱”在运动能力上表现迥异。尽管在灵敏度上逊色不少,但“擎天柱”的驱动器设计凝结了大量的匠心巧思,使其大降功耗成本,堪称是推进人形机器人走向商业化的标杆之作。

已发展数十载的驱动器,为何至今仍是连科技巨头都难啃的“硬骨头”?波士顿动力和小米、特斯拉的“关节”到底有什么不同?背后涉及哪些关键技术及组件?经过与多位机器人从业者交流,本文将从技术到产业链,深扒一颗颗小小的驱动器,如何成商用人形仿生机器人的“命门”。

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特斯拉人工智能日活动展示的人形机器人结构拆解图,橙色部分是驱动器

一、想让机器人玩杂技?先炼好“人工关节”


人形机器人有4大核心组件,分别是传感系统(对应五官)、控制系统(对应大脑)、执行机构(对应四肢)和驱动系统(对应关节组织)。

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机器人四大系统(图片来源:CSDN)

走路、下蹲、举手、抓握、搬重物、爬楼梯……机器人的每个动作都离不开驱动系统的支持,驱动器则是撑起机器人运动能力的关键组件,技术门槛、成本都很高。

这是一个“小而精”的技术要地。人体有名有姓的关节共78个,其中使用频率高、承受重量大的关节更易出现磨损和病变。老年人不如年轻人动作麻利,往往是因为关节的灵活性、韧性损坏了。

类似的,人形机器人能否高效精准做各种动作,非常依赖控制肩、肘、腕、指、髋、膝、踝、腰椎等关节部位驱动器的质量。这要求驱动器既要数量多、占空间少、重量轻,又要耐摔扛撞。毕竟一旦“关节”出问题,机器人就“瘫痪”了。

因此,一台行动精准敏捷的人形机器人,其“关节”至少应具备这些特征:

数量上,自由度越多,能做的动作越复杂。自由度可以简单理解成能让一个物体独立运动的数量。小米人形机器人“铁大”全身有21个自由度,特斯拉“擎天柱”的更多,全身自由度共28个。

形态上,体积越小,机器人外形越精巧。深圳安普斯的伺服系统专业研发人员透露,伺服驱动器在工业领域已经很成熟,但放到人形机器人中需做到更小,突破这一点后,精度、控制性能、柔性化等就都不是大问题了。

功能上,输出扭矩越大,承载能力越强。波士顿旧版Atlas的膝关节扭矩已高达890Nm,髋关节扭矩达840Nm。小米“铁大”的髋关节主要电机瞬时峰值扭矩可达到300Nm。

人在运动过程中,脚底接触地面瞬间的冲击力是人体体重的数倍。因此人形机器人要想像人类一样瞬时起跑、弹跳,很考验驱动系统的快速响应和能量效率。

要让机器人动作速度快,驱动器在提供很大输出功率的同时,需确保不会因为发热量太大而被烧坏。驱动系统还要具备出色的缓冲冲击能力,来保护驱动器不会因为猛烈撞击而损毁。

掌握抓握的力度也很重要。举个例子,如果让机器人去拿鸡蛋,握力过大,可能把鸡蛋捏碎;握力过小,鸡蛋就摔地上了。因此驱动系统需与控制系统协作,精细控制每一个动作的轻重。

总体来说,人形机器人的驱动器必须做到体积小、重量轻、轴向尺寸短、高功率密度、高能量利用效率、精度可控、耐冲击性等特性,结合机器人整机结构和控制系统设计优化,才能保证其关节动作的高效执行。这不仅是制约人形机器人更灵活、自由的关键,同时也是让其实现规模化量产、应用的重要门槛之一。

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小米人形机器人铁大在发布会现场走路

二、波士顿动力VS特斯拉小米,驱动器差别有多大?


为什么集聚了强大工程师团队的小米“铁大”、特斯拉“擎天柱”,没能做到像波士顿动力Atlas那样高燃跑酷?

优必选科技人形机器人创新中心负责人付春江告诉智东西,从时间维度看,特斯拉、小米机器人刚开发一年多,在软件运控层面还有很大的提升空间;从技术方案看,特斯拉和小米机器人采用的电机驱动方案,Atlas采用的液压传动方案,驱动器集中性和功率密度不在同一层次。

而技术路线的差异,归根究底是特斯拉、小米研发人形机器人的用途定位和预期功能,与波士顿动力存在本质上的不同,导致成本亦相差很大。

波士顿动力Atlas主打挑战极限的炫技动作,因此选用功率大的液压驱动。其核心原理是通过液体压缩泵产生高压液体,高压强作用于缸体产生巨大推力,带动机器人关节运动。这也是Atlas能做出高难度绝技的秘诀。

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液压驱动方式演示(动图截自腾讯视频)

波士顿动力在液压驱动方向一家独大,积累了大量专利。Atlas有一个非常紧凑的液压驱动装置,重5kg、功率5kW,里面有电动泵储液罐、电池、过滤器、电子设备和一个冷却系统,凭借28个液压驱动器完成各种爆发力强的杂技动作。

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Atlas液压驱动装置

液压驱动方案的缺点是噪音大、易漏液、对污染敏感、对液压元件的精度质量要求高、对维护团队要求高等,导致制造成本居高不下,难以走出实验室、走向商业化。

因此,优必选科技Walker、小米“铁大”、特斯拉“擎天柱”等人形机器人,都选用了稳定性、性价比更高的电机驱动方案,更加注重实用性。

在电机驱动方案中,伺服驱动器将位置、速度、扭矩告诉伺服电机,伺服电机将接收到的电压信号转换为扭矩、转速,减速器可以增加扭矩,优化低速运动的平稳性。

虽然扭矩密度远低于液压驱动,但电机驱动可以通过搭配减速器来加以补足,其现有技术已能满足机器人的多数运动需求,同时拥有能量转化效率、易维护、低成本、零件规整等优势。

据一位机器人行业的资深产品经理透露,这一驱动方式通过位置、速度、力矩来实现对机器人的闭环控制,使精度更高。在机器人系统中,伺服电机能做到“说停就停、说走就走”,让执行系统能够“绝对服从”控制系统的命令。

因用途不同,用在不同机器人“关节”位置的驱动器,在物理指标、执行任务强度和功率方面均不相同。为了找出最优的驱动器方案,科技公司多选择定制驱动器的路线。

例如,小米“铁大”全身有5种关节驱动器,行走时速能够达到3.6km/h。其上肢关节能够灵活运动,得益于小米为其研发的一个重量为500克、额定输出扭矩高达30N·m的高效电机。

特斯拉研究人员利用算法为“擎天柱”定制出6款最优的驱动器,包含3种线性驱动器(采用永磁电机)和3种旋转驱动器(采用谐波减速器),以满足不同关节的效率需求并兼顾成本。

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特斯拉人形机器人的6种驱动器

其中,线性驱动器用于推拉,比如让机器人手臂向前或向后伸展;旋转驱动器用于转动动作,有直流电机、伺服电机、步进电机等常见类型。这些驱动器能驱动完成不同角度的动作。基于这些设计,“擎天柱”的手腕、脚掌都能灵活转动。

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特斯拉人形机器人擎天柱受人体膝关节启发设计的驱动器

从精简成6款驱动器可以看出,特斯拉奔向“大规模量产”、2万美元成本目标的设计思路非常明确,通过实现更多硬件重复可替代,压低总体成本,并让所有的驱动器都能高效工作。

在设计过程中,特斯拉结合收集到的真实世界数据,在虚拟空间中做机器人走路、转身模拟,用人工智能算法反复测算扭矩、速度等数据,分析出能够更好兼顾质量、效率、能耗、成本平衡的最佳驱动器设计。

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特斯拉人形机器人擎天柱走路模拟

在承重能力上,特斯拉研发的腿部线性驱动器,通过集成伺服电机、减速器、丝杠、传感器、一体化运动单元等零部件,做到了精准的速度控制、位置控制和力控制,在极限测试中能提起一架500kg重的钢琴。

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特斯拉AI Day上腿部线性驱动器提起钢琴

除此之外,特斯拉“擎天柱”还有一大看点——设计出与人手非常相似的机械手。

“擎天柱”的每只手拥有11个精细的自由度,结合控制软件,能完成像人手般复杂灵巧的操作,并能承担大约9公斤的负重。驱动器通过齿轮驱动一根金属线来控制手指弯曲,并集成了感应器和锁定装置,以更加节省能耗。

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特斯拉“擎天柱”的手部设计

相比之下,很多人形机器人的手部设计都较为简单,例如Atlas的手像个浴霸,“铁大”的手没有手指。它们能开门、能抓握,但碰到像“穿针”这样的精细活儿,就会一筹莫展。

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图左为小米铁大的手部,图右为Atlas的手部

为了保护包括驱动器在内的核心组件避免因碰撞等突发情况造成损坏,特斯拉工程师借鉴了以往在车辆安全测试上获得的技术跟经验,用软件模拟机器人摔倒等状况,通过调整机体,把伤害控制在表面。

在供电上,波士顿动力Atlas与特斯拉“擎天柱”的差别也很显著。Atlas的3.7kWh电池组只能撑起大约1小时的活动,特斯拉则声称“擎天柱”的2.3kWh电池能供应其一整天工作所需的电量。

三、50年演进3大路线,人工肌肉或成未来主要研究


回溯发展历程,人形机器人驱动器的技术演进经历了3个阶段:传统刚性驱动器、弹性驱动器、准直驱驱动器。

早先从1983年日本早稻田大学研发出WL-10R机器人起,传统刚性驱动器被广泛用到人形机器人中。这种驱动器的最大输出功率密度只能达到200~300W/kg,与生物肌肉500W/kg的功能密度相差较远,因此在人形机器人上的应用受限。

弹性驱动器、准直驱驱动器均由麻省理工学院提出。弹性驱动器SEA最早提出于1995年,通过模拟具有弹性的肌肉系统,让关节的动作变得更加流畅。但因其弹性体的控制难度较高,该驱动器难以做到精准控制机器人的动作。

近年趋热的准直驱驱动器是在2016年提出。准直驱驱动器依靠驱动器电机开环力控,不依赖于附加力或力矩传感器,就可以本体感知机器人脚部和外界的交互力,也被称为本体驱动器。

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人形机器人驱动器发展历程(图源:《双足仿人机器人驱动器——演进、现状与前景》)

从具体构成来看,传统刚性驱动器由电机、高传动比减速器、刚性力矩传感器、输出端组成,其中刚性力矩传感器是可选择项;弹性驱动器则在高传动比减速器与输出端之间加了弹性体,用位置传感器检测弹性体的形变,可以推断出力矩的大小;而准直驱驱动器改成了高力矩密度电机+低传动比减速器的组合,通过电机的电流大小间接推断出输出力矩的大小。

更理想的方案是电机直接驱动,但由于现有电机技术的限制,电机直接驱动的扭矩密度达不到机器人关节应用的需求,因此,辅以减速器是一个折中方案。

同时,要求负载质量和转动惯量尽可能的小,可以实现高带宽力控和良好的抗冲击能力,满足人形机器人对小尺寸关节的需求。

未来,结合5G、人工智能、云计算等技术,驱动器还有望在云上实现相互通信,检测和监控驱动器的实时状态。

“人形机器人驱动器经历了由刚性驱动器向弹性驱动器和准直驱驱动器的技术演进。弹性驱动器和机器人整体优化,甚至人工肌肉研究都是未来发展方向。”付春江谈道,仿生机构都远没有达到人类骨骼肌肉系统的能力,机构的主动件驱动器也没有达到人类肌肉的水准,因此这一方向未来还有很大的发展空间。

在科技巨头带动下,驱动器的发展前景,正让相关国产厂商受到更多资本的关注。

四、日企占中国伺服驱动市场大头,国产玩家正迎头赶上


根据Stratistics Market Research Consulting的预测,全球人形机器人市场规模在2021年约为15亿美元,到2028年或将涨至264亿美元。其中北美地区占据全球主要份额,日本、中国将是制造重地。

一个典型人形机器人至少有20多个“关节”,每个售价在50~1000美元。这正带给驱动器产业巨大的商机。

按控制电机分类,常见的机器人电机驱动器有步进电机驱动器、直流伺服电机驱动器、交流伺服电机驱动器。目前对性能要求不高的小型机器人采用步进驱动器较多,像工业机器人等则普遍采用伺服驱动器。

日系供应商曾长期领跑我国伺服驱动市场,核心玩家有安川电机、三菱重工、松下等。伺服驱动器企业的产品以伺服系统为主,包含伺服电机、伺服驱动器。我国厂商在高端伺服驱动器方面相对实力薄弱。

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2020年中国伺服系统主要供应商市场规模(数据来源MIR DATABANK)

伺服系统的应用领域十分广泛。据一位接近机器人伺服驱动行业的人士介绍,按照功率大小,伺服系统共有三种模式,分别为小型、中型和大型。中大型伺服系统的主要应用场景为大型机床、航空等,而这一部分市场也被欧美厂商所占据。

如法国施耐德、奥地利贝莱德等欧美玩家的市场份额就在中大型伺服驱动系统中,但由于这些市场的需求量相比于小型伺服驱动系统来说并不大,所以从市场份额来看,这些玩家都只占个位数。

从整体市场规模来看,中国伺服系统市场的供应商前三甲被日本安川、三菱、松下占据,国内头部玩家汇川技术的市占率接近10%。

其中,日本安川已经在伺服电机领域深耕39年,是运动控制领域的专业玩家,也是日本第一个做伺服驱动的公司。早在1983年,日本安川就已经实现伺服电机和控制器量产并投入市场。因此,安川电机形成了以驱动控制、运动控制、机器人技术和智能工厂为核心的四大产品体系,产品也以稳定性强著称,“在电机行业,安川电机可以称得上是行业’老大哥’。”一位接近机器人伺服驱动行业的人士说道。

据了解,安川电机的伺服系统∑-7系列功率为2.5KW,该系统最高转速为6000转,最大转矩为350N·m,速度频率响应达到3.1/kHz,能适用于瞬间负载波动和要求快速起动的场合。

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安川电机的伺服系统∑-7系列

到2021年,市场头部企业格局生变。据市研机构MIR DATABANK统计,2021年上半年, 国产品牌汇川技术市场占有率达到16%,反超安川电机,并首次问鼎。

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2021年上半年中国伺服系统主要供应商市场规模(数据来源MIR DATABANK)

作为国内伺服系统的头部玩家,汇川技术自研了伺服驱动器、伺服电机、编码器等。其中,与安川电机设备功率为同一水平的汇川伺服系统SV660,其功率范围为50W~7.5kW,最大转矩同样能达到6000转,最大转矩为350N·m,速度频率响应为3.0/kHz。可以看出,在中小型伺服驱动系统上,汇川科技的产品性能已经与安川电机相差无几。

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汇川技术伺服系统SV660

除此以外,优必选科技、宇树科技等国产机器人玩家也参与到伺服驱动器的研发。

根据MIR DATABANK的数据,从2017年至2021年,中国伺服驱动市场的本土化份额上涨4.9%,日韩玩家下降5.9%;在2022年上半年,汇川技术延续2021年的势头,继续位列国内通用交流伺服销售额第一。可以看到,国产玩家正在迎头赶上。

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2017年至2021年,中国伺服驱动市场供应商市场份额变化(图片来源MIR DATABANK)

结语:压低核心技术成本,人形机器人才能真正走向量产商用


在工厂车间,机械臂可能比人形机器人更实用;在炫技方面,手握动力学和控制模型技术优势的波士顿动力堪称“天花板级别”,但面向家庭场景,马斯克描绘的蓝图里,只有形态趋近于人类的机器人,才能解决人类常遇的共通性问题。

波士顿动力的人形机器人再炫酷,也只是输入指令、在实验环境中做出相对固定的动作,而真实世界要远远复杂的多,解决问题的通用性可能比单一能力登峰造极更为实用。

相比探索顶级的机械能力,科技巨头们普遍将优先级放在了改良硬件、优化软件、实现自主解决问题的智能水平上,使其能以更加灵活省电的身躯,应对更普遍的应用需求。尤其是特斯拉展现出其在系统设计和整合方面积累的工程优势。

而驱动器所控制的机器人“关节”,则是“万里长城第一步”,只有先让机器人动起来,让机械能力达标,干家务、搬重物等设想才有实现的基础。

在长达半个世纪的人形机器人研究中,驱动器等核心软硬件一直在迭代进化,但迄今距离完全类人的运动性能仍然遥远。人形机器人对于关节自由度和灵活度提出了更高要求,规模化商用的目标又对硬件成本提出更苛刻的限制。

迈入2023年,我们期待看到更多“化繁为简”的设计理念,进一步优化驱动器等核心组件的性能与成本,打开人形机器人进入家庭的想象力之门。

参考资料:《双足仿人机器人驱动器——演进、现状与前景》石照耀博士、丁宏钰
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