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在草坪上奔跑、跳躍、后空翻，一步一個(gè)坑；吭哧吭哧爬樓梯，震的樓梯一直顫抖……
這些“搗蛋行為”，都來自波士頓動(dòng)力的機(jī)器人。
從這家公司發(fā)布個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)視頻開始，幾乎每一次，它們的新動(dòng)態(tài)都能引起行業(yè)的極大關(guān)注。原因無它，打上“波士頓動(dòng)力”標(biāo)簽的機(jī)器人，在運(yùn)動(dòng)控制方面，都是行業(yè)。
但即便如波士頓動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)那些小孩子隨手可作的動(dòng)作行為時(shí)，依然表現(xiàn)的無法令人滿意。對(duì)機(jī)器人行業(yè)來說，運(yùn)動(dòng)能力為什么會(huì)這么得難？
這得從運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展歷程開始說起。
事實(shí)上，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的準(zhǔn)確研發(fā)史很難追溯。兩千多年前古代中國人發(fā)明的指南車大概可以稱得上是運(yùn)動(dòng)機(jī)器人這一概念的鼻祖了。車內(nèi)搭載一個(gè)“機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)”，利用傳遞轉(zhuǎn)向時(shí)兩車輪的差動(dòng)信息指明方向，無疑這是機(jī)械控制技術(shù)的一次成功應(yīng)用。
到1961年，Unimation為通用汽車研發(fā)了世界臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，用于生產(chǎn)汽車門、車窗把柄、換檔旋鈕、燈具固定架，以及汽車內(nèi)部的其他硬件等。至此，機(jī)器人開始替代人類，逐漸被應(yīng)用于多個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中。
而隨著現(xiàn)代相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新應(yīng)用的出現(xiàn)，單純的機(jī)械運(yùn)動(dòng)早已不能滿足需求，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的概念開始被慢慢普及開來，研發(fā)難點(diǎn)也被廣泛重視起來。
運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，應(yīng)該是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能為一體的綜合硬件系統(tǒng)。
要做到這些，便要求我們?cè)跈C(jī)器人“體內(nèi)”必須匯集諸如傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)化控制工程以及人工智能等多項(xiàng)技術(shù)，要求機(jī)器人擁有靈活的“運(yùn)動(dòng)腦”，而這些在世界范圍內(nèi)，都不是短時(shí)間可以達(dá)成的。
沒有運(yùn)動(dòng)腦，機(jī)器人只能是“人工智障”
“對(duì)于機(jī)器人行業(yè)來說，有三大關(guān)鍵技術(shù)：計(jì)算機(jī)視覺、語義理解和運(yùn)動(dòng)控制。而運(yùn)動(dòng)控制，是較難的一關(guān)。”在談及機(jī)器人控制關(guān)鍵技術(shù)時(shí)，Vincross COO徐凱強(qiáng)曾如是說。
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制有多難？它們被稱為“智障”是不是太委屈？
所謂的“運(yùn)動(dòng)機(jī)器人”不管是行為控制、還是環(huán)境判斷等能力都與期望中有極大的差距。不客氣地說，它們還處于“人工智障”的階段。
為此鋼鐵俠機(jī)器人創(chuàng)始人&CEO張銳認(rèn)為，“它們需要擁有一個(gè)‘會(huì)運(yùn)動(dòng)的腦子’，也就是‘運(yùn)動(dòng)腦’。”
縱觀當(dāng)前推出的各種運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人，要么只能“站”在原地，用一個(gè)“畫”著人臉的屏幕說著前言不搭后語的話，可以稍微點(diǎn)頭搖頭；要么就是一舉一動(dòng)非常機(jī)械，擺動(dòng)著雙手雙腳跳舞，毫無實(shí)際應(yīng)用意義可言。
能自主規(guī)劃路線、感應(yīng)環(huán)境自動(dòng)避障地移動(dòng)，可以通過靈活的關(guān)節(jié)不機(jī)械地活動(dòng)，是對(duì)機(jī)器“人”基本的要求。
而這其中，有兩大技術(shù)難關(guān)：移動(dòng)和活動(dòng)。
移動(dòng)得不好，就會(huì)亂碰亂撞；活動(dòng)得不好，就毫無靈性，彷如智障。
移動(dòng)的關(guān)鍵在“底盤”，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器和算法三者缺一不可
按照移動(dòng)方式劃分，移動(dòng)機(jī)器人可大致被分為：輪式、履帶式和足式三大類。而前兩類機(jī)器人移動(dòng)的關(guān)鍵，都在下半身，也就是俗稱的“底盤”。
科沃斯機(jī)器人(南京)人工智能研究院院長于元隆表示，“底盤”其實(shí)只是一個(gè)載體，其中搭載和應(yīng)用了傳感器、智能算法和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等三大關(guān)鍵技術(shù)。
從當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人的工作狀態(tài)看，其主要的工作流程應(yīng)該是“傳感器用于感知環(huán)境，并將環(huán)境信息傳輸給‘控制大腦’，也就是智能算法；‘大腦’通過分析環(huán)境信息給出‘執(zhí)行命令’，終控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出行為動(dòng)作。”
傳感器方面，更準(zhǔn)、更高精度的環(huán)境感知能力是評(píng)價(jià)其性能重要的指標(biāo)。但高性能的傳感器，就意味著高成本。以科沃斯為例，克服傳感器依賴進(jìn)口、高成本等問題，擁有自主研發(fā)的傳感器是解決之道。
而智能算法，也是近幾年各大機(jī)器人廠商重點(diǎn)發(fā)力的部分。這其中，涉及到了環(huán)境感知、導(dǎo)航定位、避障、決策、視覺、語音、人機(jī)交互等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。
同時(shí)于院長也表示，“現(xiàn)在各個(gè)廠商在智能算法方面還處于淺水區(qū)，只是做到了一些基本功能的應(yīng)用。簡(jiǎn)單來說，就是現(xiàn)在的機(jī)器人還不夠聰明。”
這里的“不夠聰明”體現(xiàn)在三方面：，感知能力不夠智能；第二、行為決策能力不夠；第三，人機(jī)交互性差。
就目前的發(fā)展趨勢(shì)看，多模態(tài)傳感器和智能算法相結(jié)合是一種有效的解決方式。當(dāng)機(jī)器人可以有效地感知環(huán)境變化、準(zhǔn)確地推理和做出決策、結(jié)合用戶需求提供針對(duì)性服務(wù)時(shí)，就是我們進(jìn)入“深水區(qū)”的時(shí)候了。
驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面，則涉及了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有效驅(qū)動(dòng)力、減速器等多個(gè)機(jī)械工程問題。而這些，都直接關(guān)系到機(jī)器人移動(dòng)時(shí)的靈活性。
想必，誰也不想看到機(jī)器人要么不動(dòng)，要么“嗖”地沖出去然后撞倒墻上的場(chǎng)面吧。
也正因?yàn)榇?，?dāng)前大多移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用都只局限于室內(nèi)場(chǎng)景中。而市場(chǎng)所需要的機(jī)器人，應(yīng)該擁有更多的能力，如自然地做著肢體動(dòng)作，可以“端茶倒水”，甚至“翻山越嶺”。
這就涉及到機(jī)器人的活動(dòng)能力了。
活動(dòng)的重點(diǎn)在“關(guān)節(jié)”，伺服舵機(jī)和運(yùn)動(dòng)算法成制勝關(guān)鍵
談及“活動(dòng)”機(jī)器人，為常見的，就是舞臺(tái)表演類機(jī)器人。
旋轉(zhuǎn)、揮手、踢腿……這些都是跳舞機(jī)器人為常見的動(dòng)作。其中，以上過春晚的優(yōu)必選機(jī)器人為。而它們大的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)——伺服舵機(jī)及步態(tài)算法等的自主研發(fā)。
優(yōu)必選創(chuàng)始人&CEO周劍曾說過，“伺服舵機(jī)本身就是一個(gè)比較難的技術(shù)壁壘。尤其是大扭矩伺服舵機(jī)，在來講都是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)里一個(gè)很大的難題。”
和普通的電機(jī)相比，伺服舵機(jī)涉中還涵蓋了減速、傳感、電機(jī)、芯片、改進(jìn)算法、旋轉(zhuǎn)自由度等多種技術(shù)問題。也正因?yàn)榇?，伺服舵機(jī)能夠極大的提升機(jī)器人活動(dòng)時(shí)的關(guān)節(jié)靈敏度。所以優(yōu)必選沒有放棄研發(fā)伺服舵機(jī)，盡管他們花了近5年的時(shí)間，耗資半億。
其實(shí)，伺服舵機(jī)并不是一個(gè)新概念，日本、瑞士等機(jī)器人研發(fā)大國早有“伺服舵機(jī)”相關(guān)產(chǎn)品。只是當(dāng)時(shí)進(jìn)口成本極高，即便是低性能的成本價(jià)也需要50美元/個(gè)，且早期需求量不高，所以一直沒有被廣泛應(yīng)用。
對(duì)此，周劍表示：“一般來看，僅伺服舵機(jī)的成本，就能占去機(jī)器人總成本的一半。這樣一來，一旦量少，供應(yīng)鏈就根本起不來，相應(yīng)的芯片、CPU、電池成本也都降不下來。”
但隨著用戶對(duì)機(jī)器人活動(dòng)靈敏度要求地提高，伺服舵機(jī)早已成為機(jī)器人廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，原本所說的“需求量不高”已經(jīng)成為了一個(gè)偽命題。
然而，正如周劍所說，中小型企業(yè)在早期“量不大”且進(jìn)口成本較高的情況下，自研不失為一條出路。
那么，機(jī)器人能動(dòng)了，要怎么讓它動(dòng)起來呢？
舉個(gè)例子，趕時(shí)間時(shí)，“人”的正常生理反應(yīng)會(huì)讓我們的步子會(huì)邁得很大，走路的速度和身體的擺動(dòng)幅度等都會(huì)隨之變化；而如果時(shí)間比較寬裕，你可能就會(huì)優(yōu)哉游哉的顛著小碎步，頭也跟著搖搖晃晃、雙臂隨意擺動(dòng)。
機(jī)器人也應(yīng)該是這樣的。不同場(chǎng)景下，步態(tài)及身體的每個(gè)部分，都會(huì)表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。說的通俗點(diǎn)，機(jī)器人在活動(dòng)時(shí)應(yīng)該更接地氣，而不是只會(huì)木訥的重復(fù)著單一或僅有的幾個(gè)動(dòng)作。
這需要一個(gè)同樣接地氣的算法。
什么時(shí)候動(dòng)？動(dòng)哪里？怎么動(dòng)？頻率如何？幅度多大？這些都是在做算法時(shí)必須考慮的事情。尤其在場(chǎng)景多樣化且復(fù)雜時(shí)，算法開發(fā)的工程量將成倍增加。
徐凱強(qiáng)也說，“讓機(jī)器人動(dòng)動(dòng)手腳，看起來很簡(jiǎn)單，但為了做好這一點(diǎn)，我們花了整整三年的時(shí)間。”
而張銳談及的“如果人是可以廣泛生存于這個(gè)世界的，那么機(jī)器人就應(yīng)該能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，這需要不同的算法賦予其不同的功能。”
而這其實(shí)已有解決方案。只要給機(jī)器人加上一個(gè)基于Gazebo的仿真平臺(tái)和基于Ubuntu的ROS系統(tǒng)，其在硬件接口和開源等方面就能接入更多的了。
鋼鐵俠就是這樣做的，“我們提供的不僅是一個(gè)硬件產(chǎn)品，還同時(shí)為們提供了一個(gè)軟件開發(fā)平臺(tái)。”
無獨(dú)有偶，Vincross也是從運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)出發(fā)，為機(jī)器人提供便捷的開發(fā)平臺(tái)的。
“行業(yè)公認(rèn)的，機(jī)器人將成為新一代的計(jì)算平臺(tái)，就像十年前的手機(jī)一樣。但實(shí)際上，由于機(jī)器人開發(fā)技術(shù)門檻高，目前大多數(shù)的還難以勝任機(jī)器人開發(fā)任務(wù)。因此，我們需要一個(gè)可以提供便捷操作的平臺(tái)，這是開發(fā)與創(chuàng)新的先決條件。”
簡(jiǎn)單來說，就是基于機(jī)器人搭建一個(gè)編寫簡(jiǎn)易的開發(fā)平臺(tái)，吸引按照自己的想法，賦予機(jī)器人更多的功能。
舉個(gè)例子，讓機(jī)器人“斗牛”：基于機(jī)器人原本就有的攝像頭實(shí)時(shí)圖像處理功能，編寫相應(yīng)的代碼，讓其在接收到紅色信號(hào)時(shí)就立馬“沖”出去。
當(dāng)然，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的游戲類應(yīng)用。隨著運(yùn)動(dòng)機(jī)器人場(chǎng)景地增多和應(yīng)用創(chuàng)新地增加，開放平臺(tái)將極大地縮短開發(fā)周期，提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度。
雖能力有限，但垂直領(lǐng)域藍(lán)海早已出現(xiàn)
據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅國內(nèi)創(chuàng)企，就有超40家專門從事運(yùn)動(dòng)機(jī)器人研發(fā)的公司。其中，已經(jīng)市場(chǎng)商業(yè)化的已超過了80%，且分布于各個(gè)領(lǐng)域中。
這里先分享一個(gè)酒店應(yīng)用場(chǎng)景下的案例：
去年，蘇州洲際酒店應(yīng)用移動(dòng)機(jī)器人用于代替人工負(fù)責(zé)領(lǐng)路、送餐等工作。在其2017年12月基于攜程平臺(tái)的48條評(píng)價(jià)中，有11條提及了“機(jī)器人”這一關(guān)鍵詞。
通過計(jì)算，這11條評(píng)論的平均得分為4.98分，而其他不含“機(jī)器人”關(guān)鍵詞的平均分只有4.72分。
“我們很多客戶，在應(yīng)用機(jī)器人之前的綜合評(píng)分只有4.5分，但在應(yīng)用機(jī)器人之后，評(píng)分就有了很大的增長，甚至有些在短期內(nèi)上漲到了4.8分以上。除此之外，1個(gè)機(jī)器人多可以替代4個(gè)人工，在人工成本方面，也為酒店做出了貢獻(xiàn)。” 云跡科技副總裁張名舉說。
除酒店外，在工業(yè)方面，諸如京東的倉儲(chǔ)機(jī)器人；家庭服務(wù)方面，諸如科沃斯的掃地機(jī)器人等也都已獲得了用戶的普遍認(rèn)可。而在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、城市安全、國防和空間探測(cè)等更為垂直的領(lǐng)域中，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人也開始去到人類難以去到的危險(xiǎn)地帶，從事一些挑戰(zhàn)性的工作，所發(fā)揮的價(jià)值也越來越大。
毫無疑問，運(yùn)動(dòng)機(jī)器人行業(yè)的藍(lán)海已現(xiàn)。
總結(jié)
波士頓動(dòng)力機(jī)器人雖然是“業(yè)界傳奇”，卻也依舊沒能達(dá)到讓人滿意的程度。
但需要明確的是，在機(jī)器人三大關(guān)鍵要素中，運(yùn)動(dòng)控制確實(shí)是難且復(fù)雜的，并不是能一蹴而就的。
然而，值得一提的是，當(dāng)前機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景開發(fā)尚未成熟，大多為固定且極為垂直，如酒店、商場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)田等，雖然專業(yè)度要求比較高，但對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的處理和復(fù)雜度要求不高，有些甚至只要擁有底盤移動(dòng)能力就可以了。
這是機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的成就。
當(dāng)然，更具交互性、個(gè)性的機(jī)器人是用戶終所需。未來，機(jī)器人所能提供的服務(wù)將越來越多，真正“類人”的通用型機(jī)器人也或?qū)⒊蔀橹髁?。雖然前路漫漫，仍然值得奮斗。
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