人的手臂是一個剛?cè)岵拿荏w，類似剛性與柔性需要融合使用的場景在生活中有很多。
例如需要在白墻上用釘子掛上一幅畫，人會首先朝著墻體握住釘子，手拿起錘子或者其它工具，先重敲幾下，讓釘子前端先破壁進入墻體的1/3，而后繼續(xù)輕輕敲擊幾下，讓釘子恰好2/3嵌入墻體，這樣畫就能夠合適掛上，整個過程1分鐘內(nèi)搞定。
如果沒有控制好“力道”，不小心用力過猛，釘子全部懟進墻體就會非常尷尬。
看似很簡單的動作，機器人發(fā)展至今，卻依然很難又快又好“收放”自己的力道，懟進墻體是機器人“敲釘子”動作的常態(tài)。
這種即使加入傳感器也不夠柔性容易出現(xiàn)損壞的動作，制約了機器人高效開拓許多場景。例如家具、高精密金屬打磨、醫(yī)療服務、電子裝配等。
能否解決這個問題，就成為了中國機器人能打開更大市場可能性的一種前沿技術(shù)方向。在國內(nèi)力觸覺領域的領軍專家宋愛國教授的指導下，國內(nèi)一家叫增廣智能的企業(yè)已經(jīng)深入探索并取得了研究的初步進展。
▍難點到底在哪？
這個試驗展現(xiàn)出的許多特性，在科研上，本身很多都是矛盾的東西。
例如機器人或者是機械臂無法很好完成，人手卻可以輕易完成“敲釘子”這個細微動作，原因其實就是受限于機械結(jié)構(gòu)特性。
一般而言，機械臂由電機+減速器+連桿組成，從機械原理上而言，動作解構(gòu)并規(guī)劃到已知位姿需要進行運動學逆解，從而得到電機角度來規(guī)劃，實現(xiàn)高精度還原和實現(xiàn)。
這就使得機器人的執(zhí)行，受到伺服性能、編碼器分辨率、電機摩擦、關(guān)節(jié)耦合等動力學干擾以及減速器摩擦、減速箱背隙等結(jié)構(gòu)干擾問題影響。用錘子去敲釘子，是很大力量進行微小力控的代表案例，對于傳動結(jié)構(gòu)摩擦力有非常高的要求。
更通俗來說，市面常見的力控機器人，或者說對一些傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)而言，大多只能做到瞬時力量輸出，很難及時控制和調(diào)整力道，導致無法實現(xiàn)這種動作。
再深層次而言，用錘子去敲東西，這種瞬時大力的方法，要求機械的瞬時反應，要在突然的情況下發(fā)生快速突變。這不僅要求瞬時輸出扭矩能夠快速調(diào)整，還要求機械結(jié)構(gòu)能及時傳輸和響應這種信號，對于帶寬、結(jié)構(gòu)和本體剛性都有太多要求，非常容易造成傳感器、減速器損壞。
由于帶寬是不可能做到無限高，計算器件和各方面?zhèn)鞲衅黜憫俣纫泊嬖谝欢ㄎ锢砩舷蓿瑢е伦罱K機器人的即時響應能力也存在上限。例如協(xié)作式機器人或者說力控機器人帶寬，為了保證正常運行，力的計算頻率一般都會控制在4K-8K。
而人手幾乎沒有帶寬可言，不僅很容易能夠完成拿著錘子去敲釘子這一動作，也可以用很輕的力量去撫摸一顆釘子的頭。因為人手可以靈敏感受物體表面并判斷、控制所需力量大小，這使得無論是表面識別還是響應和輸出力的速度，人手都有非常大的動態(tài)范圍。
機器人能像人一樣剛?cè)岵?，這是很多機器人企業(yè)一直治理與實現(xiàn)的目標，但由于機械結(jié)構(gòu)難以克服力的磨損消除，導致“高速與大力”、“小力與大力”這種看似簡單其實內(nèi)核復雜與矛盾的特性，將近100多年從未曾出現(xiàn)在機器人上。
▍創(chuàng)新的開始
在這種認識下，我們再去看增廣智能本次推出的柔性仿人執(zhí)行器，就會發(fā)現(xiàn)其中一些不可思議的創(chuàng)新點。
首先，從這個視頻里可以看到，所有的動作沒有通過力傳感器去實現(xiàn)，而是一個開環(huán)的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)演示。
人輕輕推動這個執(zhí)行器連桿，甚至只需要吹一口氣，都能將其推動。
這意味著該執(zhí)行器的摩擦力能做到近乎于零，從而能夠?qū)崿F(xiàn)類似高柔順性，而阻尼也可以實現(xiàn)調(diào)控，展現(xiàn)了這個柔性仿人執(zhí)行器高靈敏快速精準響應的一面。
出力范圍也是同樣讓人覺得不可思議，該柔性仿人執(zhí)行器出力動態(tài)范圍極大，能出大力也能出小力，其力控性能直逼人手。
最為直觀的就是“敲釘子”這一動作，高速小力敲一半留一半，或者大力全部敲進去，在這個柔性仿人執(zhí)行器上都變?yōu)榱丝赡堋＿@種體現(xiàn)出小力與高速、剛性物體與柔性物體之間的矛盾，原先很難在同一個機械結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)。
最為難得的是，在一些外向力的干擾下，例如拿錘子去擊打測試，原本的結(jié)構(gòu)特性沒有出現(xiàn)明顯的偏移和改變。視頻中介紹，由于這個柔性仿人執(zhí)行器可以承受沖擊，即使碰撞也不會對機器產(chǎn)生損壞，這保證了其可維護性。
同時，增廣智能的柔性仿人執(zhí)行器，還體現(xiàn)出安全人機互動的特性。在運動過程中，人手突然抓握并進行運動，也并未對軌跡造成影響，這意味著即使執(zhí)行高速軌跡運動時，該執(zhí)行器也可以保持兼容性和安全性。
除了這些，寬帶支持高頻率震動，最高頻率可以達到30HZ，這意味著其運動反饋的即時性會遠超人們的想象。
由于這款柔性仿人執(zhí)行器能在沒有力傳感器的情況下，可以實現(xiàn)高靈敏度的力量控制，并且消除摩擦力影響；從而在一個機構(gòu)下同時滿足了出力跨度大、響應速度快、零摩擦力的指標要求，動作更擬人，這無疑是運動控制領域的一項顛覆性的技術(shù)創(chuàng)新！
▍探索更大應用可能性
不僅僅體現(xiàn)出了一個機械結(jié)構(gòu)的整體創(chuàng)新，該產(chǎn)品在未來市場上是否也能有非常多的可能？機器人大講堂為此采訪到了增廣智能CEO黃安杰先生。
據(jù)黃安杰透露，目前視頻中不僅僅是一個單軸結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的展示，該結(jié)構(gòu)并未受到材料、環(huán)境的局限，具有非常強的可復制性，未來無疑可以將其拓展做成三軸或者是六自由度的產(chǎn)品。
“增廣智能的柔性仿人執(zhí)行器，在運動學原理和機械結(jié)構(gòu)上進行創(chuàng)新。目前主流大多使用力傳感器+電機+減速機的執(zhí)行器實現(xiàn)對力量的控制，如今這種全新執(zhí)行器的技術(shù)路線與以往的方式全然不同，可以實現(xiàn)較大力量和快速響應。這在醫(yī)療和工業(yè)場景，都有非常大的一個想象空間。”黃安杰解釋道。
在力度、速度、靈敏度、運動節(jié)拍上，本身就有非常多的矛盾點，例如知乎上有個問題，詢問提高減速器減速比，提高關(guān)節(jié)定位精度，進而提高機械臂末端精度是否可行。有答主也指出，由于機器人本身是一個高度機電一體化結(jié)構(gòu)的整體，往往牽一發(fā)而動全身，想要提高任何一個點，問題難度將指數(shù)增加。
例如打磨領域，在很多場景下對于打磨速度與精度都提出了較多要求，由于機器人與人手的區(qū)別還非常大，人手可以適配更快、更大的力量變化，高精度打磨對于機器人的力量控制、響應速度要求非常高，同時關(guān)節(jié)磨損也非常快，導致部分場景難以順利打開。
而這款柔性仿人執(zhí)行器則提供了一種響應快速，同時兼容大出力和小出力的解決方案，就完美實現(xiàn)了魚與熊掌得兼。由于具備非常多與人相吻合的強悍特性，從而非常適合應用于康復醫(yī)療、工業(yè)打磨、裝配等場景，也可以為機器人企業(yè)嘗試更多例如按摩、理療等與人相關(guān)交互的部分打開想象空間，除此之外，還可應用于手控器、遙操作等全新的自動化、醫(yī)療、實驗科研等領域。
當然，該柔性仿人執(zhí)行器更多的可能性也依然有待更多企業(yè)和研究機構(gòu)進行挖掘。
▍結(jié)語與展望
隨著汽車、3C、半導體、生物醫(yī)療等高精技術(shù)領域不斷發(fā)展，市場對產(chǎn)品的產(chǎn)能與良品率的要求已經(jīng)顯著提升，市場對于自動化生產(chǎn)設備廠商產(chǎn)品的精度、速度、力量等提出了更為嚴苛的要求。如何找到性能更強的精密運動零部件，提升最終產(chǎn)品或者整體解決方案的素質(zhì)與質(zhì)量，一直是困擾機器人企業(yè)與許多集成商的難題。
機器人大講堂了解到，增廣智能CEO黃安杰在2013年師從宋愛國教授期間就看到了這種趨勢，從東南大學儀器科學專業(yè)畢業(yè)后，黃安杰沒多久就開啟了創(chuàng)業(yè)歷程。
2015年，黃安杰敏銳抓到了多軸聯(lián)動技術(shù)這一細分領域在工業(yè)市場上的應用前景，開始著手研發(fā)末端執(zhí)行器相關(guān)技術(shù)。
2016年，黃安杰成立團隊開始攻克第一代執(zhí)行器控制技術(shù)，并最終組合做成各種各樣不同形態(tài)的產(chǎn)品，匹配研發(fā)了智能夾爪、智能推桿、旋轉(zhuǎn)缸等不同硬件形態(tài)的執(zhí)行器產(chǎn)品。
2018年，黃安杰正式成立了增廣智能，聯(lián)合擁有超30年力觸覺技術(shù)研究經(jīng)驗的首席科學家宋愛國教授，對標SMC、Festo等國外執(zhí)行器賽道龍頭，定位于做智能執(zhí)行系統(tǒng)和精密力控系統(tǒng)解決方案提供商，開始走上了國產(chǎn)執(zhí)行器商業(yè)化之路。
憑借強大的工藝算法優(yōu)勢和完備的工藝軟件體系，增廣的智能執(zhí)行器、控制器、傳動零件已經(jīng)全部實現(xiàn)了自主研發(fā)，價格是國外同類產(chǎn)品的10%-40%。陸續(xù)與華為、富士康、比亞迪、舜宇光學、華大智造等多家頭部標桿企業(yè)達成緊密合作，成長為了國內(nèi)智能執(zhí)行器領域頭部企業(yè)。
2021年，增廣智能獲得凡創(chuàng)資本數(shù)千萬元Pre-A輪投資，目前，增廣智能正在籌備新一輪融資，不斷開拓著在電子、半導體、醫(yī)療、汽車、新能源、倉儲物流、智能裝備、軍工等多個高精尖領域的更多可能性。
