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關節換新記——看國產機器人如何突破類人運動關鍵技術
靜若處子，動若脫兔。六臺人形機器人站成一列，伴隨著優雅的音樂節奏，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，這可能是大多數人的第一印象。如今，這種印象正隨著柔性關節的應用而改變。
和人一樣，決定機器人靈活度的是關節。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，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。
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，由多個關節協同支撐完成。
盡管機器人研發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、精巧的控制，是機器人實現類人運動的關鍵。”2017年，達闥公司創始人黃曉慶帶領團隊開始研發服務機器人時發現，核心技術難點就是運動關節，“人體有206塊骨頭，已命名的關節就有78個，關節決定了機器人的靈活性，這些關節應是柔性的，它不同于工業機械臂的剛性。”
要讓機器人實現靈活的柔性運動，需要感知、決策、執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，國際上只有少數幾家機構掌握智能柔性關節技術，如波士頓動力和NASA，但技術不公開，沒有經驗可循。
顛覆式創新設計
研發過程中，觀察人體運動成為必修課。
“上班途中的行人，辦公區行走的同事，自己的胳膊與肩膀，所有人的一舉一動，都成了研發團隊緊盯的對象。”達闥公司機器人SCA事業部高級技術總監羅程對記者笑言，“大家當時都‘魔怔’了。”
通過觀察，他們發現，腿部落地時，膝關節、踝關節等人體關節柔韌性(關節的活動范圍)并非一成不變。為模擬生物關節這種特性，研發人員考慮在串聯彈性驅動關節的基礎上，增加可變剛度功能。
可變剛度的串聯彈性驅動關節是一個顛覆式創新思路，不僅能實現柔性關節的功能，還能根據機器人的運動狀態，在不改變關節勁度系數的同時，實時調整關節的剛性。
想法有了，如何實現？
“最開始我們按照傳統方法設計，但設計出來的架構總讓人無法滿意。”羅程說，研發過程中，黃曉慶常聊起研制智能手機的技術細節，比如芯片的集成、屏幕的升級等技術迭代，“我們由此想到，關節的核心部件是不是也可以這樣迭代優化，讓其越來越輕薄，透明度也越來越好。”
機器人研發，模塊都是現成的，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高度集成了傳感器和嵌入算法的芯片。在多個關節的協同下，機器人開始實現多樣化、精準化的移動和工作。
2018年，達闥公司對外宣布研發出“可與波士頓動力比肩的服務機器人零部件”——智能柔性關節(SCA)，從機械結構、核心算法、加工工藝等多個方面都實現了技術突破。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”，是達闥公司的創業目標。核心零部件研制出來了，但產業化又遇到大難題：國內外都沒有現成的、規模化的產業配套。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的優勢，肯定可以培育出SCA的產業配套。”
“我們建立了一套完整的架構，研發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基地在上海馬橋人工智能創新試驗區打下第一根樁。“現在已有超過100家機器人公司、科研院所等單位，使用SCA研制出形態不一、功能不同的機器人。”達闥公司聯合創始人汪兵介紹，“未來基地年生產機器人關節可實現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，達闥公司發布的新一代產品——搭載60個關節的雙足機器人，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節的專用機器，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展壯大的意見》近日發布，這令達闥公司備受鼓舞。“意見明確指出，鼓勵民營企業根據國家戰略需要和行業發展趨勢，持續加大研發投入，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要胸懷‘國之大者’，在產業競技場上向‘控球’者轉變！”(記者 楊雪 劉艷)
