像人一样灵活的机器人Ai.Frame:两位工科男的“高达梦”

毕业于哈尔滨工程大学的孙泽波和胡家祺,两位89年的男生,在上海奉贤区租了一套房——房间内摆着3D打印机和他们设计的微型机器人模型。孙泽波学习的是电气工程,负责机器人软硬件结构部分;而胡家祺学的测控导航,负责产品的工业设计。通过学校电子设计大赛、五四竞赛活动两人相识,也逐步产生了默契。

早在学校时,他们就模仿电影《终结者3》中的Hunter Killer,做了一个飞行器模型。他们把产品设计发给《终结者3》的视觉艺术特效总监Peter,他回信表示见到作品后觉得很惊讶。喜欢高达系列静态模型的他们想,不妨自己也做一个机器人。于是,2013年底,两个人正式开始创业。现在,他们设计的Ai.Frame机器人正在Kickstarter上众筹,5天时间内已经筹到1万美元。

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胡家祺说:“我们觉得市面上售卖的人形机器人,许多只是舵机(遥控模型控制动作的动力来源)的自由度的堆叠——自由度越多,机器人越灵活。但除此以外,没有足够酷的元素加入。要么技术特别尖端,售价非常高。”所以,他们希望能给消费级的人形机器人带来一些改变,人人都能用相对较低的价格买到很酷的产品。

Ai.Frame是一个开源的智能机器人,玩家可以通过游戏手柄、Android手机、PC控制板和两只机械臂(类《环太平洋》里的机械臂,上半身手臂运动会同步映射到机器人上面),来控制机器人的动作。Ai.Frame机器人能够完成跑步、下蹲、射击、对战等300余种动作姿态。孙泽波告诉PingWest:在机器人Ai.Frame Apollo中,一共有16个舵机,作为核心部件,它们分布在机器人的各个关节,用以控制机器人的动作,为它们提供动力。

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在Ai.Frame的设计中,机器人Rex的眼睛有一种向外凸出的独特设计。胡家祺告诉PingWest:“眼睛是很传神的东西,我希望用它传达犀利的感觉。”他要给机器人赋予一种“家族风格”,就像许多汽车品牌,拿掉标志后,也能在用户心中留下烙印。孙泽波最喜欢高达动画的台词是“哦嘞哇,刚大木哒 ”(音译),意思是“我就是高达”。团队希望Ai.Frame可以成为一个像高达一样的品牌。胡家祺还笑着冲我说道:“之后可能还会有一部动漫,把我们的机器人植入进去。”给他们天使轮投资的IDG郑兰,同样也是动漫迷。

此次在Kickstarter上众筹的机器人包括Apollo和Rex两种类别。前者有三种型号,A型为重装性;B型机动性很强,设计风格比较运动;C型比较像精密仪器,“适合远程作战”。它们采用相同的骨架,躯干包含109零件,外壳12个零件,24种组合颜色。而Rex双足机器人,采用椴木层板和亚克力材料,由98个零件组成,可以自定义5种颜色。

玩家能自己选择订购零售版还是拼装版。孙泽波告诉PingWest:“设计的时候能用通用的零件就用通用的,有很多零件是对称的,拼起来不会特别复杂,我们希望用户在拼装的时候可以获得很多乐趣。”

除却拼装,玩家能像指挥官那样,为机器人输入指令。在他们自主研发控制板软件上有32个滑块,其中16滑块用来控制机器上的16个舵机,而多出来滑块未来可以用来控制更复杂的机器人,或者机器人外设。玩家可以拖动滑块,通过“打点”的方式自定义的动作序列,自定义每个按键的动作指令。由于舵机的自由度区间在180度,和人的关节相对应,所以基本上人能做什么,机器人也能做什么。Ai.Frame给用户提供了动作示例,用户能根据自己的想象去编排动作。

首批机器人还有一些高阶玩法——在Smart版本中,基于红外传感器和超声波传感器,机器人能够进行路径规划,自动避开障碍;机器人身上的音频模块,可以做语音的反馈和控制;通过陀螺仪,能够让摔倒的机器人重新站立。用户也可以买过去DIY,比如你可以自行打印比较Q的机器人的头,放在另外一个机器人身上。也可以配上可控制的装备,比如宝剑、机枪;后续他们还会放出一些更个性壳体模型。技术发烧友,甚至能够基于Arduino平台,自己写一些动作算法。

这并不是他们第一次众筹,早在2014初Ai.Frame机器人就在Pozible平台上做过一次小规模的众筹,但那次没有成功。在这半年时间中,机器人的主要零件——舵机,已经从原来塑料齿轮的模拟舵机进化到使用金属齿轮的数字舵机。机器在迭代过程中日臻成熟,加入了一些机械运动学方面的性能提升,比如优化瞬间堵转、来回高度震动情况,提升了使用寿命;在硬件方面加入相流保护之类的设计,待机时间更长。在Ai.Frame的博客中,机器就像Android系统那样迭代——从2011年11月最早的0号机器人,到现在共迭代了5次。孙泽波说:“一开始只是自己玩,如果要让更多人玩,你必须要把复杂的东西简化了”。

之所以Kickstarter的众筹目标只有5000美元,一是参考了Kickstarter上类似如uARM的项目,二是因为受限于定制化的3D打印的制造方式,出货量不会太大,也不需要开模生产。

两款机器人的售价大概在2000元,在硬件上的成本控制主要在控制器,执行器、传感器。还有一部分是控制算法成本,它涉及像机器人运动学、涉及到多维矩阵的运算,现在也有一些成熟技术的参考。胡家祺举例称:“现在比较成熟的四旋翼飞行器只用控制四个舵机的转速,但机器人涉及到16个舵机的自由度控制,这些舵机还会对应不同关键的控制,计算量会呈几何式增长,技术难度也更高”。

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在众筹结束后,他们会把机器人硬件、软件、工业设计、电路图、机器设计的图纸、包括一些事例程序都会开源出来。而早年的作品设计,已经在Grabcad网站上分享。他们觉得开源是理所当然的事:首先,在Ai.Frame的设计过程中,得到了许多开源项目的帮助,是站在很多开源项目基础之上的;第二,产品的核心竞争力并不在硬件本身,而是团队把握设计风格和迭代产品的能力;第三,开源本身可以和其他有类似兴趣的人,取得一个良好的交流氛围。

胡家祺说道:开源能够推动一个行业的快速发展,早年无人机飞控鼻祖APM公司,就把飞控板的技术开源出来,很快深圳就会有很多仿它的板子。2009年的飞控板卖到2000多美金,现在只需要200多人民币,比当时还更好。他们也想用行动践行硅谷风投John Doerr的话,“I think you can repay that mentorship only by mentoring others.”(我想你能通过指导别人来报答导师)。

Ai.Frame机器人零件主要通过3D和激光切割完成。骨架里用了椴木层板和亚克力(有机玻璃),外壳就是3D材料ABS和PLA,也用到一些可溶性支撑,支撑一部分易碎的结构。它们在机器人制作的时候,遭遇了一些额外的麻烦。市面上有许多良莠不齐的材料厂商,明明标明2毫米的材料板,实际只有1.6毫米,根本就用不了了,有些材料特别脆。孙泽波说:“我们试了很多种材料,要让模型打出来,要能把机器人的细节表现出来,强度好又适合3D打印机打印”。

制造期间也有过许多经验教训,孙泽波告诉PingWest:“螺丝我们就用两种,一种是尼龙的,另一种是金属的。尼龙的摩擦力大,不容易脱离出来,可以用作机器人的轴承;金属硬度大,摩擦力小,容易从活动关节脱落,用于固定一些连接件和舵机。我们手工控制拧入螺丝的位置,在哪个位置能保持机身的稳定住,同时又不会很僵硬,干扰到舵机的运动。不同的关节,需要用什么材料的螺丝,用多长的螺丝都是实验过很多遍的。”

在他们看来,现在普通的人形机器人有一个很难克服的通病。它们不能像人一样能够保持平衡,路面有一定的坡度他就倒下了。尽管Ai.Frame中的动作组能让它自动站起来,却不能保证让它不到。如果要解决这个问题,对用以驱动机器人类似舵机的执行结构,运行的速度要求就会很高,成本就会直线上升,是无法控制的;第二,它还要有高效运算处理器,这个还好,现在智能手机芯片很便宜;第三,需要很复杂的运算控制器算法,这导致了许多尖端的机器人甚至接近天价。

与他们做的比较类似的韩国公司,研发了一款名为“迷你达尔文”的机器人Robotis。它也是开源的,舵机的性能好,但价格有点高。另外,它的各部分组件都是模块化的,玩家可以像玩乐高积木一样去组装这个机器人。

孙泽波和胡家祺还在筹划,机器人的6.0版本,它们想给下一代机器加上摄像头,以第一人称视角控制机器人。胡家祺说:“我们后续会上线一个机器人社区,集合大家的力量一起把产品玩好和优化好。而且机器人还要再做大一点,小的话功率密度不是很高,有效载荷很小,你想搭载系统一些稍重的模块,只能是有心无力的。”

当前硬件材料的采购出货、包括硬件的代工都主要在深圳,来回的周期比较长。下一步,深圳会是Ai.Frame的新起点。

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