運動機器人何時才能擁有運動腦，不再是“人工智障”

在草坪上奔跑、跳躍、后空翻，一步一個坑；吭哧吭哧爬樓梯，震的樓梯一直顫抖……

這些“搗蛋行為”，都來自波士頓動力的機器人。

從這家公司發(fā)布第一個機器人運動視頻開始，幾乎每一次，它們的新動態(tài)都能引起行業(yè)的極大關(guān)注。原因無它，打上“波士頓動力”標(biāo)簽的機器人，在運動控制方面，都是行業(yè)頂級。

但即便如波士頓動力的運動機器人，實現(xiàn)那些小孩子隨手可作的動作行為時，依然表現(xiàn)的無法令人滿意。對機器人行業(yè)來說，運動能力為什么會這么得難？

這得從運動機器人的發(fā)展歷程開始說起。

事實上，運動機器人的準(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動機器人這一概念的鼻祖了。車內(nèi)搭載一個“機械傳動系統(tǒng)”，利用傳遞轉(zhuǎn)向時兩車輪的差動信息指明方向，無疑這是機械控制技術(shù)的一次成功應(yīng)用。

到1961年，Unimation為通用汽車研發(fā)了世界第一臺工業(yè)機器人，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，機器人開始替代人類，逐漸被應(yīng)用于多個傳統(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)，單純的機械運動早已不能滿足需求，運動機器人的概念開始被慢慢普及開來，研發(fā)難點也被廣泛重視起來。

運動機器人，應(yīng)該是一個集環(huán)境感知、動態(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，便要求我們在機器人“體內(nèi)”必須匯集諸如傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計算機工程、自動化控制工程以及人工智能等多項尖端技術(shù)，要求機器人擁有靈活的“運動腦”，而這些在世界范圍內(nèi)，都不是短時間可以達成的。

沒有運動腦，機器人只能是“人工智障”

“對于機器人行業(yè)來說，有三大關(guān)鍵技術(shù)：計算機視覺、語義理解和運動控制。而運動控制，是較難的一關(guān)。”在談及機器人控制關(guān)鍵技術(shù)時，Vincross COO徐凱強曾如是說。

機器人運動控制有多難？它們被稱為“智障”是不是太委屈？

不難窺見，所謂的“運動機器人”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。

為此鋼鐵俠機器人創(chuàng)始人&CEO張銳認(rèn)為，“它們需要擁有一個‘會運動的腦子’，也就是‘運動腦’。”

縱觀當(dāng)前推出的各種運動型機器人，要么只能“站”在原地，用一個“畫”著人臉的屏幕說著前言不搭后語的話，可以稍微點頭搖頭；要么就是一舉一動非常機械，擺動著雙手雙腳跳舞，毫無實際應(yīng)用意義可言。

能自主規(guī)劃路線、感應(yīng)環(huán)境自動避障地移動，可以通過靈活的關(guān)節(jié)不機械地活動，是對機器“人”最基本的要求。

而這其中，有兩大技術(shù)難關(guān)：移動和活動。

移動得不好，就會亂碰亂撞；活動得不好，就毫無靈性，彷如智障。

移動的關(guān)鍵在“底盤”，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳感器和算法三者缺一不可

按照移動方式劃分，移動機器人可大致被分為：輪式、履帶式和足式三大類。而前兩類機器人移動的關(guān)鍵，都在下半身，也就是俗稱的“底盤”。

科沃斯機器人（南京）人工智能研究院院長于元隆表示，“底盤”其實只是一個載體，其中搭載和應(yīng)用了傳感器、智能算法和驅(qū)動機構(gòu)等三大關(guān)鍵技術(shù)。

從當(dāng)前移動機器人的工作狀態(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’，最終控制驅(qū)動機構(gòu)輸出行為動作。”

傳感器方面，更準(zhǔn)、更高精度的環(huán)境感知能力是評價其性能最重要的指標(biāo)。但高性能的傳感器，就意味著高成本。以科沃斯為例，克服傳感器依賴進口、高成本等問題，擁有自主研發(fā)的傳感器專利是唯一解決之道。

而智能算法，也是近幾年各大機器人廠商重點發(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、人機交互等多個關(guān)鍵技術(shù)。

同時于院長也表示，“現(xiàn)在各個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。簡單來說，就是現(xiàn)在的機器人還不夠聰明。”

這里的“不夠聰明”體現(xiàn)在三方面：第一，感知能力不夠智能；第二、行為決策能力不夠；第三，人機交互性差。

就目前的發(fā)展趨勢看，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性服務(wù)時，就是我們進入“深水區(qū)”的時候了。

驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面，則涉及了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、有效驅(qū)動力、減速器等多個機械工程問題。而這些，都直接關(guān)系到機器人移動時的靈活性。

想必，誰也不想看到機器人要么不動，要么“嗖”地沖出去然后撞倒墻上的場面吧。

也正因為此，當(dāng)前大多移動機器人應(yīng)用都只局限于室內(nèi)場景中。而市場所需要的機器人，應(yīng)該擁有更多的能力，如自然地做著肢體動作，可以“端茶倒水”，甚至“翻山越嶺”。

這就涉及到機器人的活動能力了。

活動的重點在“關(guān)節(jié)”，伺服舵機和運動算法成制勝關(guān)鍵

談及“活動”機器人，最為常見的，就是舞臺表演類機器人。

旋轉(zhuǎn)、揮手、踢腿……這些都是跳舞機器人最為常見的動作。其中，以上過春晚的優(yōu)必選機器人最為知名。而它們最大的優(yōu)勢在于技術(shù)——伺服舵機及步態(tài)算法等的自主研發(fā)。

優(yōu)必選創(chuàng)始人&CEO周劍曾說過，“伺服舵機本身就是一個比較難的技術(shù)壁壘。尤其是大扭矩伺服舵機，在全球來講都是機器人產(chǎn)業(yè)里一個很大的難題。”

和普通的電機相比，伺服舵機涉中還涵蓋了減速、傳感、電機、芯片、改進算法、旋轉(zhuǎn)自由度等多種技術(shù)問題。也正因為此，伺服舵機能夠極大的提升機器人活動時的關(guān)節(jié)靈敏度。所以優(yōu)必選沒有放棄研發(fā)伺服舵機，盡管他們花了近5年的時間，耗資半億。

其實，伺服舵機并不是一個新概念，日本、瑞士等機器人研發(fā)大國早有“伺服舵機”相關(guān)產(chǎn)品。只是當(dāng)時進口成本極高，即便是最低性能的成本價也需要50美元/個，且早期需求量不高，所以一直沒有被廣泛應(yīng)用。

對此，周劍表示：“一般來看，僅伺服舵機的成本，就能占去機器人總成本的一半。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。”

但隨著用戶對機器人活動靈敏度要求地提高，伺服舵機早已成為機器人廠商差異化競爭的關(guān)鍵，原本所說的“需求量不高”已經(jīng)成為了一個偽命題。

然而，正如周劍所說，中小型企業(yè)在早期“量不大”且進口成本較高的情況下，自研不失為一條出路。

那么，機器人能動了，要怎么讓它動起來呢？

舉個例子，趕時間時，“人”的正常生理反應(yīng)會讓我們的步子會邁得很大，走路的速度和身體的擺動幅度等都會隨之變化；而如果時間比較寬裕，你可能就會優(yōu)哉游哉的顛著小碎步，頭也跟著搖搖晃晃、雙臂隨意擺動。

機器人也應(yīng)該是這樣的。不同場景下，步態(tài)及身體的每個部分，都會表現(xiàn)出不同的運動狀態(tài)。說的通俗點，機器人在活動時應(yīng)該更接地氣，而不是只會木訥的重復(fù)著單一或僅有的幾個動作。

這需要一個同樣接地氣的算法。

什么時候動？動哪里？怎么動？頻率如何？幅度多大？這些都是在做算法時必須考慮的事情。尤其在場景多樣化且復(fù)雜時，算法開發(fā)的工程量將成倍增加。

徐凱強也說，“讓機器人動動手腳，看起來很簡單，但為了做好這一點，我們花了整整三年的時間。”

而張銳談及的“如果人是可以廣泛生存于這個世界的，那么機器人就應(yīng)該能被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，這需要不同的算法賦予其不同的功能。”

而這其實已有解決方案。只要給機器人加上一個基于Gazebo的仿真平臺和基于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開發(fā)者了。

鋼鐵俠就是這樣做的，“我們提供的不僅是一個硬件產(chǎn)品，還同時為開發(fā)者們提供了一個軟件開發(fā)平臺。”

無獨有偶，Vincross也是從運動控制技術(shù)出發(fā)，為機器人開發(fā)者提供便捷的開發(fā)平臺的。

“行業(yè)公認(rèn)的，機器人將成為新一代的計算平臺，就像十年前的手機一樣。但實際上，由于機器人開發(fā)技術(shù)門檻高，目前大多數(shù)的開發(fā)者還難以勝任機器人開發(fā)任務(wù)。因此，我們需要一個可以提供便捷操作的平臺，這是開發(fā)與創(chuàng)新的先決條件。”

簡單來說，就是基于機器人搭建一個編寫簡易的開發(fā)平臺，吸引開發(fā)者按照自己的想法，賦予機器人更多的功能。

舉個例子，讓機器人“斗牛”：基于機器人原本就有的攝像頭實時圖像處理功能，編寫相應(yīng)的代碼，讓其在接收到紅色信號時就立馬“沖”出去。

當(dāng)然，這只是一個簡單的游戲類應(yīng)用。隨著運動機器人場景地增多和應(yīng)用創(chuàng)新地增加，開放平臺將極大地縮短開發(fā)周期，提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度。

雖能力有限，但垂直領(lǐng)域藍海早已出現(xiàn)

據(jù)不完全數(shù)據(jù)統(tǒng)計，僅國內(nèi)創(chuàng)企，就有超40家專門從事運動機器人研發(fā)的公司。其中，已經(jīng)市場商業(yè)化的已超過了80%，且分布于各個領(lǐng)域中。

這里先分享一個酒店應(yīng)用場景下的案例：

去年，蘇州洲際酒店應(yīng)用移動機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月基于攜程平臺的48條評價中，有11條提及了“機器人”這一關(guān)鍵詞。

通過計算，這11條評論的平均得分為4.98分，而其他不含“機器人”關(guān)鍵詞的平均分只有4.72分。

“我們很多客戶，在應(yīng)用機器人之前的綜合評分只有4.5分，但在應(yīng)用機器人之后，評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個機器人最多可以替代4個人工，在人工成本方面，也為酒店做出了貢獻。” 云跡科技高級副總裁張名舉說。

除酒店外，在工業(yè)方面，諸如京東的倉儲機器人；家庭服務(wù)方面，諸如科沃斯的掃地機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、國防和空間探測等更為垂直的領(lǐng)域中，運動機器人也開始去到人類難以去到的危險地帶，從事一些極具挑戰(zhàn)性的工作，所發(fā)揮的價值也越來越大。

毫無疑問，運動機器人行業(yè)的藍海已現(xiàn)。