智慧柔性關節 機器人騰挪跳躍的秘訣

採用智慧柔性執行器SCA搭建而成的智慧柔性服務機器人，全身共34個自由度，即34個關節。受訪者供圖

機器人會端茶倒水、導航引路、跳舞、答疑解惑……近日召開的2019世界機器人大會，讓觀眾再次驚嘆，越來越多更靈活、更智慧的服務機器人正來到我們身邊，人機共存的智慧時代加速來臨。

和人一樣，決定機器人靈活度的是關節。此次機器人大會上，前沿驅動（北京）技術有限公司的INNFOS研發團隊帶來的歷經數年自主研發的全系列智慧柔性執行器SCA（Smart Compliant Actuator），以及基於該技術的兩款産品吸引了極大關注。

智慧柔性執行器一直是機器人，尤其是服務機器人研發生産的難點。SCA是如何攻克這一難題的，該技術究竟有何過人之處？

柔性關節制約我國服務機器人發展

智慧柔性執行器，即柔性關節對機器人的重要性不言而喻。機器人的所有動作都離不開關節。

“業界根據人的肌肉和骨骼模擬出機器人關節的自由度，通常我們所説的多少個自由度就是多少個關節，比如工廠裏機四軸機械臂，其中的一軸就是一個關節。”INNFOS聯合創始人朱梓鳴解釋道，對一台機器人來説，關節成本佔硬體總成本的70%以上。

而且服務機器人與工業機器人對關節的要求又大為不同。

朱梓鳴介紹道，工業機器人要求長久穩定性，對靈活性和自適應性要求不高，“它們只需要按照規劃好的路徑運動就可以，不用有很多的變化。而服務機器人則不同，行走、運動等功能自然對關節的靈活性要求極高。所以工業機器人的關節大多是剛性執行器，而服務機器人則需要智慧柔性執行器”。

此前最知名的人形機器人來自波士頓動力。早在2017年，該公司機器人的一段跳躍、旋轉、後空翻的視頻驚艷了整個機器人圈。大家紛紛感嘆，這個機器人的關節也太靈活了。

但這並不意味著智慧柔性關節已經不是問題。恰恰相反，“據我們了解，目前國際上大概只有三四家掌握智慧柔性關節技術，其中波士頓動力的技術不公開，MASA同樣也不公開對民用開放。”朱梓鳴説。

正因如此，截至目前，工業機器人大多采用體積大、剛性強的傳統伺服系統，而服務機器人由於身形限制，無法使用傳統伺服，只能勉強裝備更多用於航模、玩具等開發的舵機。

“舵機故障率高、噪音大，不夠智慧，這也是為什麼我們老感覺目前服務機器人總有些笨笨的感覺。”朱梓鳴説，缺少高性能柔性關節成為服務機器人發展的一大障礙。

“所以我們從頭做起，花了7年時間，研發出了智慧柔性執行器SCA。”朱梓鳴説。

技術秘訣在於核心動力系統整合

簡單來説，出現在此次大會上的智慧柔性執行器SCA，將傳統工業伺服系統做到了舵機大小，並兼顧了兩者優點。“將工業伺服系統應用於服務機器人，要解決的核心難題就是如何在不犧牲性能的情況下，將其縮小到適用於服務機器人的體積。”朱梓鳴説。

工業伺服系統包括電機、驅動器、減速器、編碼器等核心元件，如何將這些原本獨立的元器件整合到一起，就像將很多晶片整合到一塊電路板上一樣？答案是從底層做起，研發能各自匹配發揮出最大效率的電機、驅動器等。

“首先，我們選擇了超薄外轉子電機，這種電機可以做得很扁平，以前應用領域比較小，沒有大規模生産，但我們通過研究發現它的扁平化特徵很適合用來做整合的執行器。”朱梓鳴説。

在搞定合適的電機後，研發團隊又根據電機特性研發出高度匹配的驅動器、編碼器等器件。

舉個例子，通用的傳統工業伺服驅動器適用於很多種電機，但多數情況下會有冗余。“我們為選定的電機研發了特定的驅動器，減少了冗余。”朱梓鳴説，“所以我們這幾年一直在做的一件事，就是不停調整摸索這幾個元器件的關係，琢磨怎麼讓它們在儘量小的空間裏互相配合，發揮更大作用。”

最終，SCA實現了在同樣性能下體積只有傳統伺服系統的十分之一。更為重要的是，我國機器人領域電機、減速器等核心元部件受制於人的狀況或將發生一些改變。眾所週知，精密減速器、控制器以及伺服電機等機器人核心零部件一直被國外幾家大公司壟斷，國內企業尚不具備核心零部件自産能力。核心部件受制於人的後果是，不僅價格下不來，利潤微薄，且供貨週期長。

“我們前幾年曾經向一家國際知名的廠商訂購了60多萬元的電機，這個量在別人那屬於特別小的，所以不可能有議價空間，而且起碼要等幾個月。”朱梓鳴説，這種情況對於國內機器人廠商來説是常態。

“由於我們是從電機、驅動器等做起，所有核心技術都自己掌握，因此再也不會像以前那麼被動，而且我們給國內外客戶的供貨速度非常快。”朱梓鳴表示。

降低硬體成本推動整個産業發展

以SCA為基礎，研發團隊正在開發適用於不同機器人的柔性關節，其中包括專為四足機器人量身定制的柔性關節，以及SCA的複合材料版等。

據業內專家介紹，四足機器人需要完成站立、走動、彈跳、負載等動作，甚至在不同路面環境中完成相應任務，因而其對執行器的要求更加嚴苛。

一般來説，四足機器人要求執行器具有扭矩密度大、功率密度大、控制系統高度整合、柔性控制等特性。為了滿足四足機器人對扭矩的需求，INNFOS研發團隊將減速器內嵌其中，在增加扭矩的同時，保證了緊湊的機械機構。同時，減速器的嵌入，讓該執行器在整機品質453.1克的情況下，峰值扭矩達19.8牛頓米，也使得其扭矩密度大幅提高，更符合四足機器人對扭矩和扭矩密度的需求。“我們通過電流環，可以低成本的實現力控。與此同時，我們運用準直驅技術，以很小的減速比配上大扭矩密度的電機，便可以做到在低成本、高産量的情況下實現力控。”朱梓鳴介紹道。

柔性控制是機器人類産品中必不可少的特性。研發人員在執行器內部增加了一系列感知元件，配合處理器來監視內部電流的狀態，最後在高級動力學演算法的支撐下可實現執行器的柔性技術，做到真正安全實用的人機交互。

該團隊發佈的SCA複合材料版則將柔性關節的價格降到千元以內。“該技術中所有的動力系統和標準版一樣，我們降低成本的秘訣在於使用了散熱、精度都很好，但成本較低的複合材料。”朱梓鳴透露。

同時，執行器內部內置一顆高性能多核浮點運算處理器，專門用來處理電機的運轉數據，可以實現實時的高精度控制。

幾百元的柔性關節對於服務機器人的發展意義深遠。“硬體成本的大幅降低無疑會推動整個産業的發展，尤其是在教育、研發領域的普及。”朱梓鳴認為。