中国版人形机器人来了！34个自由度，手眼足脑超级复杂

　　北京时间10月1日，特斯拉举办2022 AI Day活动，Tesla Bot人形机器人擎天柱（Optimus）原型机在全球精彩首秀。马斯克透露， 该机器人产量应该可以达到数百万台，预估最终价格将在2万美元以下，3至5年间即可量产上市。
　　这是擎天柱（Optimus）第一次在无人操作的情况下自主行走，特斯拉没有为这款机器人安装外壳，而是直接将内部构造呈现出来，关节、骨骼、电缆等设备清晰可见。它能灵活地提起水壶浇花、双手搬运物料至目标位置、准确定位周围人员并主动避让。
　　无独有偶，2022年8月11日，小米北京秋季新品发布会上，小米首款全尺寸人形仿生机器人CyberOne也正式亮相。
　　其实早在多年前，骆敏舟就带领技术团队研发出人形双足机器人，取名刑天 —中国远古神话传说人物，手使一柄巨斧和盾牌，身强力壮，体型巨大的上古神人。
　　刑天机器人长相酷似变形金刚，极其＂吸睛＂。不仅拥有类似人类的双足，还有完整的头颅、躯干。1.7m 的个子，却有34个自由度。 它由20多位研发人员，在短短2-3年时间，自主研发而成。
　　人形智能机器人在工业自动化、航空航天和社会服务中将发挥关键作用。 人形机器人是一个复杂的光机电系统，具有多个自由度，运动操作更加灵活，非但能模拟人的结构与操作，甚至可以实现很多人类的行为与智能。
　　因此为满足仿人需要，刑天身上采用了仿生机构设计、结构轻量化设计、多传感信息感知与融合、人机交互实时控制和多学科系统集成等关键技术。
　　＂它能实现对步伐的大小、快慢及幅度的控制。还具有典型环境和常见物体感知识别能力，能针对复杂地面环境自主规划路线、避障等。＂
　　技术团队与刑天机器人
　　刑天主体采用高强度铝合金材料，能够实现轻量化，提高产品功重比，将伺服控制元件、执行元件、多传感检测元件高度集成，减小体积。在极限范围内进行测试，其关节驱动器单手最大抓取质量为 5 kg，这也是人形机器人必备的功能。
　　要做到高达34个自由度（关节）的人形机器人，机电硬件（主要是电机及其驱动器+减速机）、运动软件算法的突破和迭代 必不可少，下面我们展开讲讲刑天的＂手-眼-足-脑＂一体化关键技术。
　　▍动态平衡控制算法 实现双足稳定性行走
　　要保持机器人行走的稳定性，其核心是要有动态稳定性， 为了使机器人在动态行走时保持重心的稳定，零力矩点(ZMP)必须落在支撑面内，所以双足机器人进行步态规划时必须要在ZMP理论的前提下，合理地规划踝关节和髋关节。
　　这就要求机器人腿部应具备适当的机械柔顺性，从而有效缓解来自未知高刚度环境(地面、障碍物等)的碰撞冲击，保护机身及其附带电子设备，并有利于提高机器人运动稳定性。
　　技术团队研制的刑天机器人
　　因此，研发人员将人类的膝盖和其运动过程中所受的力线性化，从而学习如何让机器人膝盖使用更少的力来构建，让其能实现更好的力度控制，并让相关结构紧密包裹在膝盖周围。
　　机器人步行动态稳定运动规划
　　▍欠驱动多自由度手爪 实现自适应抓取
　　机器人手爪的关键在于：安全可靠性、自适应性和更高的智能性。 安全可靠性研究确保整个机器人系统工作万无一失，因此，要求其手爪结构和控制系统要简单化。对于服务机器人手爪，需要提高通用性，使得手爪具备适应各种被抓物体形状的能力。而手爪智能化研究可以提高手爪决策的准确性，减少出错的可能性。
　　刑天机器人还拥有仿人形自适应手爪与柔性末端夹持技术。 它的＂左右手＂均为3指结构， 每个手指可以旋转并抓握物体，单手最大抓取质量为5kg， 采用欠驱动技术与柔性材料，能够自动适应不同类型的工件和不同场景的应用。
　　这一核心科技，使其可以精确抓取和操作常见物体，在各种工业应用中大展身手，形象地说，装了手爪的机器人功能跟人手类似，让它搬砖块还是耍大刀，就完全要看专业认知和技能了，它可以广泛应用于诸如搬移、检测、焊接、贴标、喷涂、组装、锁螺钉等多种工业流程和应用场景。
　　欠驱动多自由度手爪
　　▍多传感器信息融合 快速感知环境变化
　　如果说拥有了完整的躯干，还需要什么，那一双＂慧眼＂在智能机器人时代就显得尤为重要。 刑天设计了一种结合双目立体相机与激光扫描仪的环境感知系统，可以实现双目图像的自动配准与分割，并能对图像中指定像素点的三维坐标进行测量，以实现仿人机器人所需的目标检测、识别、定位等功能。
　　这使得其具有典型环境和常见物体感知识别能力，同时可以对行进路线进行自动规划，能够攀爬、自主避障、在崎岖路面行走，适应各种地面环境。 针对复杂的工作环境，刑天还可采用人工遥控操作、紧急情况处理等自主管理相结合的半自主控制方式。
　　刑天采用AI智能算法与高速控制芯片，提升嵌入式系统的响应速度，提高了重复定位精度；整体控制周期从 10 ms 缩短至 2 ms，自主化绝对值磁编码器，有效位数17位。
　　研制基于3D视觉传感器与智能相机的智能抓取策略，实现对杂乱无章的物料进行精准识别，实现机器人准确抓取，并开发出基于深度学习缺陷识别算法，可以说是＂脑力担当＂。
　　刑天机器人曾在全世界100多个队中，获得参加美国国防部DARPA举办的国际机器人挑战赛（DRC）资格，实现了整个机器人系统有机集成，突破环境识别、自主行走、任意抓取等多项关键技术。
　　▍钻坚研微，百折不挠 刑天机器人的后续开发
　　江苏省产业技术研究院智能制造技术研究所（集萃智造）在刑天机器人技术基础上，继续研制液压四足机器人，突破微小型旋转直驱伺服阀、恒转矩高功重比驱动电机、微小型高速高压轴向柱塞泵等核心部件研制的关键技术； 开展高频响伺服驱动非线性控制研究，实现刚度补偿与高动态纠偏矫正；研究低液动力结构优化与球副抗磨损工艺，实现高功功率密度驱动系统，解决高功率密度驱动的＂卡脖子技术＂问题。
　　采用钛合金与有机材料复合3D打印技术，进行耐瞬态高压的仿血管流道设计，实现液压能量的轻量化和集成化分布式传输；显著提高足式机器人的爆发力、负载能力和越障能力。
　　液压四足机器人
　　▍超10万亿市场＂大蛋糕＂等待分食
　　那么，在＂机器换人＂的趋势下，人形机器人有着多大市场空间？
　　根据马斯克 在 2022 年 4 月的 TED 演讲，Optimus 的单价大约 2.5 万美元 （约 16.75 万元人民币），有望进入家庭作业、快速配送、工业生产等各种消费级和商业级场景。到 2030 年，全球约有 4 亿个工作岗位将被自动化机器人取代，按20%渗透率测算，全球人形机器人市场空间约 12-16 万亿元。
　　面对庞大的商业化＂蛋糕＂，巨头纷纷开始行动，小米也发布了首款全尺寸人形仿生机器人——＂CyberOne＂， 成本约60-80万人民币。
　　国内同样拥有庞大的市场空间。根据IFR和中国电子学会数据，尽管人形机器人处于起步阶段，参照其他电子产品，渗透率超过20%后将爆发式增长。按23-30年CAGR 30%测算到2030年，我国人形机器人市场规模约为8700亿元。
　　人形机器人是一项需要长期投入的复杂技术，在早期商业化程度不高的阶段，想要打造一台人形机器人，就意味着企业要具备一系列核心技术的研发能力，如伺服驱动器、机械传动、运动规划与控制、计算机视觉与感知、智能语音交互、SLAM与导航、人机交互和手眼协调等核心技术。
　　而短短两三年的时间，刑天机器人能够诞生，从工程技术上来说是非常硬核的，尤其是在突破了仿生机构设计、结构轻量化设计、多传感信息感知与融合、人机交互实时控制和多学科系统集成等关键技术方面，能够让人眼前一亮。
　　刑天机器人在复杂环境下多任务作业、自主行走等功能方面处于国际先进水平，可以有效扩展人类的工作能力，是未来关注和发展的重点，我们相信在将来，人形机器人或许会得到数量级的提升。