智能柔性關(guān)節(jié) 機(jī)器人騰挪跳躍的秘訣

2019-08-30 15:47:50來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)

機(jī)器人會(huì)端茶倒水、導(dǎo)航引路、跳舞、答疑解惑……近日召開(kāi)的2019世界機(jī)器人大會(huì)，讓觀眾再次驚嘆，越來(lái)越多更靈活、更智能的服務(wù)機(jī)器人正來(lái)到我們身邊，人機(jī)共存的智能時(shí)代加速來(lái)臨。

和人一樣，決定機(jī)器人靈活度的是關(guān)節(jié)。此次機(jī)器人大會(huì)上，前沿驅(qū)動(dòng)(北京)技術(shù)有限公司的INNFOS研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶來(lái)的歷經(jīng)數(shù)年自主研發(fā)的全系列智能柔性執(zhí)行器SCA(Smart Compliant Actuator)，以及基于該技術(shù)的兩款產(chǎn)品吸引了極大關(guān)注。

智能柔性執(zhí)行器一直是機(jī)器人，尤其是服務(wù)機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)的難點(diǎn)。SCA是如何攻克這一難題的，該技術(shù)究竟有何過(guò)人之處?

采用智能柔性執(zhí)行器SCA搭建而成的智能柔性服務(wù)機(jī)器人，全身共34個(gè)自由度，即34個(gè)關(guān)節(jié)。受訪者供圖

柔性關(guān)節(jié)制約我國(guó)服務(wù)機(jī)器人發(fā)展

智能柔性執(zhí)行器，即柔性關(guān)節(jié)對(duì)機(jī)器人的重要性不言而喻。機(jī)器人的所有動(dòng)作都離不開(kāi)關(guān)節(jié)。

“業(yè)界根據(jù)人的肌肉和骨骼模擬出機(jī)器人關(guān)節(jié)的自由度，通常我們所說(shuō)的多少個(gè)自由度就是多少個(gè)關(guān)節(jié)，比如工廠里機(jī)四軸機(jī)械臂，其中的一軸就是一個(gè)關(guān)節(jié)。”INNFOS聯(lián)合創(chuàng)始人朱梓鳴解釋道，對(duì)一臺(tái)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，關(guān)節(jié)成本占硬件總成本的70%以上。

而且服務(wù)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)的要求又大為不同。

朱梓鳴介紹道，工業(yè)機(jī)器人要求長(zhǎng)久穩(wěn)定性，對(duì)靈活性和自適應(yīng)性要求不高，“它們只需要按照規(guī)劃好的路徑運(yùn)動(dòng)就可以，不用有很多的變化。而服務(wù)機(jī)器人則不同，行走、運(yùn)動(dòng)等功能自然對(duì)關(guān)節(jié)的靈活性要求極高。所以工業(yè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)大多是剛性執(zhí)行器，而服務(wù)機(jī)器人則需要智能柔性執(zhí)行器”。

此前最知名的人形機(jī)器人來(lái)自波士頓動(dòng)力。早在2017年，該公司機(jī)器人的一段跳躍、旋轉(zhuǎn)、后空翻的視頻驚艷了整個(gè)機(jī)器人圈。大家紛紛感嘆，這個(gè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)也太靈活了。

但這并不意味著智能柔性關(guān)節(jié)已經(jīng)不是問(wèn)題。恰恰相反，“據(jù)我們了解，目前國(guó)際上大概只有三四家掌握智能柔性關(guān)節(jié)技術(shù)，其中波士頓動(dòng)力的技術(shù)不公開(kāi)，MASA同樣也不公開(kāi)對(duì)民用開(kāi)放。”朱梓鳴說(shuō)。

正因如此，截至目前，工業(yè)機(jī)器人大多采用體積大、剛性強(qiáng)的傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)，而服務(wù)機(jī)器人由于身形限制，無(wú)法使用傳統(tǒng)伺服，只能勉強(qiáng)裝備更多用于航模、玩具等開(kāi)發(fā)的舵機(jī)。

“舵機(jī)故障率高、噪音大，不夠智能，這也是為什么我們老感覺(jué)目前服務(wù)機(jī)器人總有些笨笨的感覺(jué)。”朱梓鳴說(shuō)，缺少高性能柔性關(guān)節(jié)成為服務(wù)機(jī)器人發(fā)展的一大障礙。

“所以我們從頭做起，花了7年時(shí)間，研發(fā)出了智能柔性執(zhí)行器SCA。”朱梓鳴說(shuō)。

技術(shù)秘訣在于核心動(dòng)力系統(tǒng)集成

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，出現(xiàn)在此次大會(huì)上的智能柔性執(zhí)行器SCA，將傳統(tǒng)工業(yè)伺服系統(tǒng)做到了舵機(jī)大小，并兼顧了兩者優(yōu)點(diǎn)。“將工業(yè)伺服系統(tǒng)應(yīng)用于服務(wù)機(jī)器人，要解決的核心難題就是如何在不犧牲性能的情況下，將其縮小到適用于服務(wù)機(jī)器人的體積。”朱梓鳴說(shuō)。

工業(yè)伺服系統(tǒng)包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速器、編碼器等核心元件，如何將這些原本獨(dú)立的元器件集成到一起，就像將很多芯片集成到一塊電路板上一樣?答案是從底層做起，研發(fā)能各自匹配發(fā)揮出最大效率的電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等。

“首先，我們選擇了超薄外轉(zhuǎn)子電機(jī)，這種電機(jī)可以做得很扁平，以前應(yīng)用領(lǐng)域比較小，沒(méi)有大規(guī)模生產(chǎn)，但我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)它的扁平化特征很適合用來(lái)做集成的執(zhí)行器。”朱梓鳴說(shuō)。

在搞定合適的電機(jī)后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)又根據(jù)電機(jī)特性研發(fā)出高度匹配的驅(qū)動(dòng)器、編碼器等器件。

舉個(gè)例子，通用的傳統(tǒng)工業(yè)伺服驅(qū)動(dòng)器適用于很多種電機(jī)，但多數(shù)情況下會(huì)有冗余。“我們?yōu)檫x定的電機(jī)研發(fā)了特定的驅(qū)動(dòng)器，減少了冗余。”朱梓鳴說(shuō)，“所以我們這幾年一直在做的一件事，就是不停調(diào)整摸索這幾個(gè)元器件的關(guān)系，琢磨怎么讓它們?cè)诒M量小的空間里互相配合，發(fā)揮更大作用。”

最終，SCA實(shí)現(xiàn)了在同樣性能下體積只有傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的十分之一。更為重要的是，我國(guó)機(jī)器人領(lǐng)域電機(jī)、減速器等核心元部件受制于人的狀況或?qū)l(fā)生一些改變。眾所周知，精密減速器、控制器以及伺服電機(jī)等機(jī)器人核心零部件一直被國(guó)外幾家大公司壟斷，國(guó)內(nèi)企業(yè)尚不具備核心零部件自產(chǎn)能力。核心部件受制于人的后果是，不僅價(jià)格下不來(lái)，利潤(rùn)微薄，且供貨周期長(zhǎng)。

“我們前幾年曾經(jīng)向一家國(guó)際知名的廠商訂購(gòu)了60多萬(wàn)元的電機(jī)，這個(gè)量在別人那屬于特別小的，所以不可能有議價(jià)空間，而且起碼要等幾個(gè)月。”朱梓鳴說(shuō)，這種情況對(duì)于國(guó)內(nèi)機(jī)器人廠商來(lái)說(shuō)是常態(tài)。

“由于我們是從電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器等做起，所有核心技術(shù)都自己掌握，因此再也不會(huì)像以前那么被動(dòng)，而且我們給國(guó)內(nèi)外客戶(hù)的供貨速度非?？?。”朱梓鳴表示。

降低硬件成本推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

以SCA為基礎(chǔ)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)適用于不同機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)，其中包括專(zhuān)為四足機(jī)器人量身定制的柔性關(guān)節(jié)，以及SCA的復(fù)合材料版等。

據(jù)業(yè)內(nèi)專(zhuān)家介紹，四足機(jī)器人需要完成站立、走動(dòng)、彈跳、負(fù)載等動(dòng)作，甚至在不同路面環(huán)境中完成相應(yīng)任務(wù)，因而其對(duì)執(zhí)行器的要求更加嚴(yán)苛。

一般來(lái)說(shuō)，四足機(jī)器人要求執(zhí)行器具有扭矩密度大、功率密度大、控制系統(tǒng)高度集成、柔性控制等特性。為了滿(mǎn)足四足機(jī)器人對(duì)扭矩的需求，INNFOS研發(fā)團(tuán)隊(duì)將減速器內(nèi)嵌其中，在增加扭矩的同時(shí)，保證了緊湊的機(jī)械機(jī)構(gòu)。同時(shí)，減速器的嵌入，讓該執(zhí)行器在整機(jī)質(zhì)量453.1克的情況下，峰值扭矩達(dá)19.8牛頓米，也使得其扭矩密度大幅提高，更符合四足機(jī)器人對(duì)扭矩和扭矩密度的需求。“我們通過(guò)電流環(huán)，可以低成本的實(shí)現(xiàn)力控。與此同時(shí)，我們運(yùn)用準(zhǔn)直驅(qū)技術(shù)，以很小的減速比配上大扭矩密度的電機(jī)，便可以做到在低成本、高產(chǎn)量的情況下實(shí)現(xiàn)力控。”朱梓鳴介紹道。

柔性控制是機(jī)器人類(lèi)產(chǎn)品中必不可少的特性。研發(fā)人員在執(zhí)行器內(nèi)部增加了一系列感知元件，配合處理器來(lái)監(jiān)視內(nèi)部電流的狀態(tài)，最后在高級(jí)動(dòng)力學(xué)算法的支撐下可實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的柔性技術(shù)，做到真正安全實(shí)用的人機(jī)交互。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)布的SCA復(fù)合材料版則將柔性關(guān)節(jié)的價(jià)格降到千元以?xún)?nèi)。“該技術(shù)中所有的動(dòng)力系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)版一樣，我們降低成本的秘訣在于使用了散熱、精度都很好，但成本較低的復(fù)合材料。”朱梓鳴透露。

同時(shí)，執(zhí)行器內(nèi)部?jī)?nèi)置一顆高性能多核浮點(diǎn)運(yùn)算處理器，專(zhuān)門(mén)用來(lái)處理電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度控制。

幾百元的柔性關(guān)節(jié)對(duì)于服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展意義深遠(yuǎn)。“硬件成本的大幅降低無(wú)疑會(huì)推動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是在教育、研發(fā)領(lǐng)域的普及。”朱梓鳴認(rèn)為。記者操秀英

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