隨著傳感技術(shù)、運動控制和計算機(jī)仿真與機(jī)器人技術(shù)的深度融合，機(jī)器人對于復(fù)雜外界環(huán)境的感知能力大幅提升，其處理實際問題的自主性、穩(wěn)定性、可靠性也大幅提升。在技術(shù)發(fā)展和市場需求的驅(qū)動下，服務(wù)機(jī)器人的體積更小、交互更為靈活；其服務(wù)領(lǐng)域和服務(wù)對象不斷拓展，并進(jìn)一步向各應(yīng)用場景下沉；從發(fā)展趨勢來看，服務(wù)機(jī)器人正由“感知智能”向“認(rèn)知智能”邁進(jìn)，仿生機(jī)器人等新興方向創(chuàng)新活躍，仿人機(jī)器人研發(fā)再度迎來突破。
仿生機(jī)器人是指模仿生物，從事生物特點工作的機(jī)器人。北京理工大學(xué)和中關(guān)村智友研究院發(fā)布的報告將仿生機(jī)器人劃分為三類：仿人機(jī)器人、四足機(jī)器人和科研探索型機(jī)器人。其中，仿人機(jī)器人和四足機(jī)器人因其產(chǎn)業(yè)化落地的可行性而備受科技行業(yè)關(guān)注。
近日，在北京市科學(xué)技術(shù)委員會、中關(guān)村科技園區(qū)管理委員會的指導(dǎo)下，由中關(guān)村智友研究院主辦、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會與中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟參與協(xié)辦的《Techlink智友科學(xué)家前沿論壇——仿生機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用》在京圓滿閉幕。與會科學(xué)家與創(chuàng)業(yè)者對智能仿生機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和技術(shù)研發(fā)展開了發(fā)散性思考。
仿人機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的三個關(guān)鍵難題
仿人機(jī)器人是智能機(jī)器人的一種高級形態(tài)，它具備人的外形特點，特別是擁有復(fù)雜的多體動力學(xué)系統(tǒng)。該機(jī)器人的主要特點是，無需改變?nèi)祟惞ぷ?、生活的環(huán)境，就能夠使用工具，完成擬人化的多種任務(wù)。此外，仿生機(jī)器人具備擬人的運動能力、環(huán)境適應(yīng)能力和作業(yè)能力，因此行業(yè)對仿生機(jī)器人的期待是：去人不能去的地方，做人不能做的事情。
北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授，博導(dǎo)，北京理工大學(xué)智能機(jī)器人研究所所長余張國認(rèn)為，衡量仿人機(jī)器人的核心能力有三個方面，運動能力、環(huán)境適應(yīng)能力、多任務(wù)作業(yè)能力三方面，這也是仿人機(jī)器人領(lǐng)域需要突破的三大關(guān)鍵點。
運動能力方面，國內(nèi)科研單位還需要突破驅(qū)動部件的限制，同時在平衡控制方面采取一些措施，解決機(jī)器人在運動過程中的平衡穩(wěn)定問題。仿生機(jī)器人的運動過程實際上是一個與摔倒抗?fàn)幍倪^程。作業(yè)方面，當(dāng)下的仿人機(jī)器人運動能力和驅(qū)動部件的開發(fā)主要依靠工業(yè)組拼模式，國內(nèi)仍通過專用部件開發(fā)模式來提高機(jī)器人的運動性能。
環(huán)境適應(yīng)方面，仿人機(jī)器人不能僅保持“走”、“跑”、“跳”這樣的單一運動模態(tài)。而是要具有行走、跳躍、摔倒保護(hù)等多變的模態(tài)。
在多任務(wù)作業(yè)能力方面，目前的仿人機(jī)器人在智能化層面還沒有較大突破，未來行業(yè)也要將人和機(jī)器人的智能結(jié)合起來，提高智能作業(yè)的能力。
四足機(jī)器人的落地仍有關(guān)鍵技術(shù)障礙
北京工業(yè)大學(xué)副教授，智同工大智能傳動研究院副院長紀(jì)姝婷指出，仿生移動機(jī)器人可以被廣泛應(yīng)用于外太空探索、軍事偵察、戰(zhàn)爭沖突、災(zāi)難救援等諸多危險環(huán)境中。目前，美國軍方在仿生移動機(jī)器人領(lǐng)域的研究成果顯著，他們已經(jīng)研發(fā)了全自動輪式車輛、腿足式機(jī)器人、外骨骼機(jī)器人等針對不同場景的仿生機(jī)器人產(chǎn)品。俄羅斯、日本等國也在加大對仿生機(jī)器人的開發(fā)投入。
盡管仿生移動機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展如火如荼，但是該板塊的經(jīng)濟(jì)創(chuàng)收能力并不盡如人意。2020年韓國現(xiàn)代對波士頓動力發(fā)起的收購價格是1萬億韓元，而7年前谷歌收購波士頓動力的價格卻是30億美元。
“波士頓動力的技術(shù)的確先進(jìn)，但是目前常見的四足機(jī)器人存在的主要問題是，在未知的非結(jié)構(gòu)地形條件下，其運動能力的穩(wěn)定性、負(fù)載能力、耐用能力、制造成本、可靠性和輪式或履帶式機(jī)器人相比仍有不足。”紀(jì)姝婷認(rèn)為，解決這一問題的關(guān)鍵是作為機(jī)器人核心部件的關(guān)節(jié)驅(qū)動器。關(guān)節(jié)驅(qū)動器直接決定了機(jī)器人運動的平衡性、穩(wěn)定性和抗干擾能力。目前仿生機(jī)器人的主要驅(qū)動方式有三種。
第一種是液壓驅(qū)動，這種方式的功率很高，承載能力強(qiáng)，但是噪音非常大。第二種是串聯(lián)彈性驅(qū)動。該方法是將電機(jī)和減速器之間放入了一個彈性元件，用它和編碼器精確地測量力或力矩。這種方式采用的減速機(jī)傳動比比較大，但是它的反向驅(qū)動能力并不好，還需要額外加裝一些傳感器，這會增加它的體積和重量，降低關(guān)節(jié)驅(qū)動器的功率密度。第三種是半直驅(qū)驅(qū)動。麻省理工學(xué)院提出的Cheetah采用了該模式，通過電流環(huán)方案實現(xiàn)力控。這種關(guān)節(jié)采用的是行星齒輪減速器，傳動比一般低于10，且沒有額外傳感器，具有很高的反向驅(qū)動能力和齒輪傳動效率。
目前主流的關(guān)節(jié)驅(qū)動器多采用諧波齒輪減速器、擺線齒輪減速器、行星齒輪減速器。其中，諧波減速器傳動比一般會大于30，傳動平穩(wěn)且質(zhì)量輕，具有很高的定位精度和重復(fù)定位精度，但是諧波減速器傳動效率比較低，和同體積的其他減速器相比，其承載力不高，反向驅(qū)動能力較低。擺線齒輪減速器適用于腿足式機(jī)器人，其抗沖擊能力更強(qiáng)，可靠性更高，且該減速器傳動比適用范圍最廣，相應(yīng)的承載力較高。但是擺線齒輪減速器因為設(shè)計和制造難度較大，其應(yīng)用并不廣泛。而行星減速器的傳動比較小，反向驅(qū)動能力更大，傳動效率也更高。
紀(jì)姝婷表示，目前智同工大技術(shù)研究院等國內(nèi)企業(yè)正在攻克減速器的設(shè)計和研發(fā)難題。
仿生機(jī)器人行業(yè)的未來發(fā)展趨勢
論壇上，北京理工大學(xué)和中關(guān)村智友研究院聯(lián)合編著的《仿生機(jī)器人行業(yè)報告》正式發(fā)布。北京理工大學(xué)和載人航天工程辦公室的博士后佘浩田介紹稱，該報告包含五個部分，形成了三個核心觀點：
第一，機(jī)器人時代來臨，而仿人和四足機(jī)器人是其中比較具有成長性的細(xì)分賽道。
第二，仿人機(jī)器人帶來有別于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈的差異化需求，相比于工業(yè)機(jī)器人，仿人機(jī)器人對系統(tǒng)的零部件需求更為精密。目前該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難點是運動控制、高扭矩密度的驅(qū)動單元研究、環(huán)境感知能力、人機(jī)交互能力等；
第三，無框力矩電機(jī)與精密減速器將更具成長空間。
針對仿人機(jī)器人和四足機(jī)器人領(lǐng)域，報告認(rèn)為，未來仿人與四足機(jī)器人會與人工智能緊密結(jié)合，以ChatGPT為代表的人工智能技術(shù)將推動人機(jī)交互和環(huán)境感知技術(shù)的發(fā)展。其次，仿人機(jī)器人在感知、決策、控制方面提出了更高的要求，隨著仿人機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化預(yù)期提高，對專用芯片的需求也會不斷提高。此外，隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)直驅(qū)將是未來仿人和四足機(jī)器人的發(fā)展趨勢。
報告同時提到，目前產(chǎn)業(yè)化方面，仿人和四足機(jī)器人還面臨很多挑戰(zhàn)，例如，應(yīng)用場景方面，兩種機(jī)器不僅需要在實際應(yīng)用場景里高效運行，還需要解決穩(wěn)定性、可靠性、安全性的問題。此外，產(chǎn)業(yè)還需要推動關(guān)鍵技術(shù)的突破來加速產(chǎn)業(yè)化落地，在可擴(kuò)展性方面，兩種機(jī)器人需要在特殊場景內(nèi)進(jìn)行定制化開發(fā)，進(jìn)而達(dá)到機(jī)器人適應(yīng)不用應(yīng)用場景的目的。
