【深度】運(yùn)動(dòng)機(jī)器人“智障”了嗎？
在草坪上奔跑、跳躍、后空翻，一步一個(gè)坑；吭哧吭哧爬樓梯，震的樓梯一直顫抖
這些搗蛋行為，都來自波士頓動(dòng)力的機(jī)器人。
從這家公司發(fā)布第一個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)視頻開始，幾乎每一次，它們的新動(dòng)態(tài)都能引起行業(yè)的極大關(guān)注。原因無它，打上波士頓動(dòng)力標(biāo)簽的機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)控制方面，都是行業(yè)頂級(jí)。
但即便如波士頓動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)那些小孩子隨手可作的動(dòng)作行為時(shí)，依然表現(xiàn)的無法令人滿意。對(duì)機(jī)器人行業(yè)來說，運(yùn)動(dòng)能力為什么會(huì)這么得難？
這得從運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展歷程開始說起。
事實(shí)上，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的準(zhǔn)確研發(fā)史很難追溯。兩千多年前古代中國人發(fā)明的指南車大概可以稱得上是運(yùn)動(dòng)機(jī)器人這一概念的鼻祖了。車內(nèi)搭載一個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，利用傳遞轉(zhuǎn)向時(shí)兩車輪的差動(dòng)信息指明方向，無疑這是機(jī)械控制技術(shù)的一次成功應(yīng)用。
到1961年，Unimation為通用汽車研發(fā)了世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，用于生產(chǎn)汽車門、車窗把柄、換檔旋鈕、燈具固定架，以及汽車內(nèi)部的其他硬件等。至此，機(jī)器人開始替代人類，逐漸被應(yīng)用于多個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中。
而隨著現(xiàn)代相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新應(yīng)用的出現(xiàn)，單純的機(jī)械運(yùn)動(dòng)早已不能滿足需求，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的概念開始被慢慢普及開來，研發(fā)難點(diǎn)也被廣泛重視起來。
運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，應(yīng)該是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能為一體的綜合硬件系統(tǒng)。
要做到這些，便要求我們?cè)跈C(jī)器人體內(nèi)必須匯集諸如傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)化控制工程以及人工智能等多項(xiàng)尖端技術(shù)，要求機(jī)器人擁有靈活的運(yùn)動(dòng)腦，而這些在世界范圍內(nèi)，都不是短時(shí)間可以達(dá)成的。
沒有運(yùn)動(dòng)腦，機(jī)器人只能是人工智障
對(duì)于機(jī)器人行業(yè)來說，有三大關(guān)鍵技術(shù)：計(jì)算機(jī)視覺、語義理解和運(yùn)動(dòng)控制。而運(yùn)動(dòng)控制，是較難的一關(guān)。在談及機(jī)器人控制關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，VincrossCOO徐凱強(qiáng)曾如是說。
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制有多難？它們被稱為智障是不是太委屈？
不難窺見，所謂的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人不管是行為控制、還是環(huán)境判斷等能力都與期望中有極大的差距。不客氣地說，它們還處于人工智障的階段。
為此鋼鐵俠機(jī)器人創(chuàng)始人&CEO張銳認(rèn)為，它們需要擁有一個(gè)‘會(huì)運(yùn)動(dòng)的腦子’，也就是‘運(yùn)動(dòng)腦’。
縱觀當(dāng)前推出的各種運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，要么只能站在原地，用一個(gè)畫著人臉的屏幕說著前言不搭后語的話，可以稍微點(diǎn)頭搖頭；要么就是一舉一動(dòng)非常機(jī)械，擺動(dòng)著雙手雙腳跳舞，毫無實(shí)際應(yīng)用意義可言。
能自主規(guī)劃路線、感應(yīng)環(huán)境自動(dòng)避障地移動(dòng)，可以通過靈活的關(guān)節(jié)不機(jī)械地活動(dòng)，是對(duì)機(jī)器人最基本的要求。
而這其中，有兩大技術(shù)難關(guān)：移動(dòng)和活動(dòng)。
移動(dòng)得不好，就會(huì)亂碰亂撞；活動(dòng)得不好，就毫無靈性，彷如智障。
移動(dòng)的關(guān)鍵在底盤，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器和算法三者缺一不可
按照移動(dòng)方式劃分，移動(dòng)機(jī)器人可大致被分為：輪式、履帶式和足式三大類。而前兩類機(jī)器人移動(dòng)的關(guān)鍵，都在下半身，也就是俗稱的底盤。
科沃斯機(jī)器人（南京）人工智能研究院院長于元隆表示，底盤其實(shí)只是一個(gè)載體，其中搭載和應(yīng)用了傳感器、智能算法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等三大關(guān)鍵技術(shù)。
從當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人的工作狀態(tài)看，其主要的工作流程應(yīng)該是傳感器用于感知環(huán)境，并將環(huán)境信息傳輸給‘控制大腦’，KUKA機(jī)器人維修，也就是智能算法；‘大腦’通過分析環(huán)境信息給出‘執(zhí)行命令’，最終控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出行為動(dòng)作。
傳感器方面，更準(zhǔn)、更高精度的環(huán)境感知能力是評(píng)價(jià)其性能最重要的指標(biāo)。但高性能的傳感器，就意味著高成本。以科沃斯為例，克服傳感器依賴進(jìn)口、高成本等問題，擁有自主研發(fā)的傳感器專利是唯一解決之道。
而智能算法，也是近幾年各大機(jī)器人廠商重點(diǎn)發(fā)力的部分。這其中，涉及到了環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、避障、決策、視覺、語音、人機(jī)交互等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
同時(shí)于院長也表示，現(xiàn)在各個(gè)廠商在智能算法方面還處于淺水區(qū)，只是做到了一些基本功能的應(yīng)用。簡(jiǎn)單來說，就是現(xiàn)在的機(jī)器人還不夠聰明。
這里的不夠聰明體現(xiàn)在三方面：第一，感知能力不夠智能；第二、行為決策能力不夠；第三，人機(jī)交互性差。
就目前的發(fā)展趨勢(shì)看，多模態(tài)傳感器和智能算法相結(jié)合是一種有效的解決方式。當(dāng)機(jī)器人可以有效地感知環(huán)境變化、準(zhǔn)確地推理和做出決策、結(jié)合用戶需求提供針對(duì)服務(wù)時(shí)，就是我們進(jìn)入深水區(qū)的時(shí)候了。
驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面，則涉及了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有效驅(qū)動(dòng)力、減速器等多個(gè)機(jī)械工程問題。而這些，都直接關(guān)系到機(jī)器人移動(dòng)時(shí)的靈活性。
想必，誰也不想看到機(jī)器人要么不動(dòng)，要么嗖地沖出去然后撞倒墻上的場(chǎng)面吧。
也正因?yàn)榇耍?dāng)前大多移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用都只局限于室內(nèi)場(chǎng)景中。而市場(chǎng)所需要的機(jī)器人，應(yīng)該擁有更多的能力，如自然地做著肢體動(dòng)作，可以端茶倒水，KUKA機(jī)器人電路板維修，甚至翻山越嶺。
這就涉及到機(jī)器人的活動(dòng)能力了。
活動(dòng)的重點(diǎn)在關(guān)節(jié)，伺服舵機(jī)和運(yùn)動(dòng)算法成制勝關(guān)鍵
談及活動(dòng)機(jī)器人，最為常見的，就是舞臺(tái)表演類機(jī)器人。
旋轉(zhuǎn)、揮手、踢腿這些都是跳舞機(jī)器人最為常見的動(dòng)作。其中，以上過春晚的優(yōu)必選機(jī)器人最為知名。而它們最大的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)伺服舵機(jī)及步態(tài)算法等的自主研發(fā)。
優(yōu)必選創(chuàng)始人&CEO周劍曾說過，伺服舵機(jī)本身就是一個(gè)比較難的技術(shù)壁壘。尤其是大扭矩伺服舵機(jī)，在全球來講都是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)里一個(gè)很大的難題。
和普通的電機(jī)相比，伺服舵機(jī)涉中還涵蓋了減速、傳感、電機(jī)、芯片、改進(jìn)算法、旋轉(zhuǎn)自由度等多種技術(shù)問題。也正因?yàn)榇耍欧鏅C(jī)能夠極大的提升機(jī)器人活動(dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)靈敏度。所以優(yōu)必選沒有放棄研發(fā)伺服舵機(jī)，盡管他們花了近5年的時(shí)間，耗資半億。
其實(shí)，伺服舵機(jī)并不是一個(gè)新概念，日本、瑞士等機(jī)器人研發(fā)大國早有伺服舵機(jī)相關(guān)產(chǎn)品。只是當(dāng)時(shí)進(jìn)口成本極高，即便是最低性能的成本價(jià)也需要50美元/個(gè)，且早期需求量不高，所以一直沒有被廣泛應(yīng)用。
對(duì)此，周劍表示：一般來看，僅伺服舵機(jī)的成本，就能占去機(jī)器人總成本的一半。這樣一來，一旦量少，供應(yīng)鏈就根本起不來，相應(yīng)的芯片、CPU、電池成本也都降不下來。
但隨著用戶對(duì)機(jī)器人活動(dòng)靈敏度要求地提高，伺服舵機(jī)早已成為機(jī)器人廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，原本所說的需求量不高已經(jīng)成為了一個(gè)偽命題。
然而，正如周劍所說，中小型企業(yè)在早期量不大且進(jìn)口成本較高的情況下，自研不失為一條出路。
那么，機(jī)器人能動(dòng)了，要怎么讓它動(dòng)起來呢？
舉個(gè)例子，趕時(shí)間時(shí)，人的正常生理反應(yīng)會(huì)讓我們的步子會(huì)邁得很大，走路的速度和身體的擺動(dòng)幅度等都會(huì)隨之變化；而如果時(shí)間比較寬裕，你可能就會(huì)優(yōu)哉游哉的顛著小碎步，頭也跟著搖搖晃晃、雙臂隨意擺動(dòng)。
機(jī)器人也應(yīng)該是這樣的。不同場(chǎng)景下，步態(tài)及身體的每個(gè)部分，都會(huì)表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。說的通俗點(diǎn)，機(jī)器人在活動(dòng)時(shí)應(yīng)該更接地氣，而不是只會(huì)木訥的重復(fù)著單一或僅有的幾個(gè)動(dòng)作。
這需要一個(gè)同樣接地氣的算法。
什么時(shí)候動(dòng)？動(dòng)哪里？怎么動(dòng)？頻率如何？幅度多大？這些都是在做算法時(shí)必須考慮的事情。尤其在場(chǎng)景多樣化且復(fù)雜時(shí)，算法開發(fā)的工程量將成倍增加。
徐凱強(qiáng)也說，讓機(jī)器人動(dòng)動(dòng)手腳，看起來很簡(jiǎn)單，但為了做好這一點(diǎn)，我們花了整整三年的時(shí)間。
而張銳談及的如果人是可以廣泛生存于這個(gè)世界的，那么機(jī)器人就應(yīng)該能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，這需要不同的算法賦予其不同的功能。
而這其實(shí)已有解決方案。只要給機(jī)器人加上一個(gè)基于Gazebo的仿真平臺(tái)和基于Ubuntu的ROS系統(tǒng)，其在硬件接口和開源等方面就能接入更多的開發(fā)者了。
鋼鐵俠就是這樣做的，我們提供的不僅是一個(gè)硬件產(chǎn)品，還同時(shí)為開發(fā)者們提供了一個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)。
無獨(dú)有偶，Vincross也是從運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)出發(fā)，為機(jī)器人開發(fā)者提供便捷的開發(fā)平臺(tái)的。