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追觅科技“广义机器人”又出新作,让智能未来更近一步

shuohang

发布于 1月19日

  机器之心原创

  撰文 | 吴昕

  与当年 Asimo 踩高跷似的行走姿态不同,更小巧精准的传感器、更强大的动力关节、更好的建模方法等机器人移动技术的进步,让机器人流畅行走成为可能,也推动四足机器人大步迈向应用市场。基于 " 第一性原理 ",带着在 C 端积累的研发和制造优势,追觅科技正步入这个新市场。

  在需要重复作业的场景下部署机器人并不是什么新主意。在世界各地的工厂,有数百万台机器人在车间工作,但它们中的大多数只是被固定在地面上,沿着既定弧度挥舞着巨大的机械臂。

  和这类机器人不同,追觅科技最近完成研发的一款工业级四足机器人,不仅能自主稳健行走,未来在搭载了救援工具、喊话器、图传相机、补给品等相关设备之后,能够在复杂地形、恶劣环境甚至有毒有害场景下工作,执行巡检、救援等更加复杂的任务。

  这款工业级四足机器人身长 1 米、体重 70 多斤,拥有 12 个关节,形似一只 " 大狗 "。它身体四周安装了深度相机、鱼眼相机、超声波传感器及多线激光雷达等,可在铁轨、废墟等复杂地形下行走,可负重、上下楼梯。

  " 我们的工业级四足机器人在平地的最大行走速度可达每秒 2 米,可以灵活选配上装,例如云台相机、热红外相机、RTK GPS、可燃气体探测传感器、多自由度机械臂等仪器设备,以适应不同应用场景的作业需要 ",追觅科技旗下创新机器人研究院的一名产品经理向机器之心介绍道。

  2021 年,追觅科技曾推出仿生四足机器狗 Eame One。上述工业级四足机器人是追觅科技继 Eame One 之后推出的第二款四足机器人。不仅追觅科技,其他科技公司和研究团队也正在推出更多类似机器人。除了声名显赫的波士顿动力 SpotMini、MIT Cheetah(猎豹) ,在国内,小米、腾讯也已经相继推出「铁蛋」和 Max,还有专注工业四足机器人的宇树科技、云深处等创业公司。科大讯飞最近也表示,将推出自己的工业四足机器人。

追觅科技的仿生四足机器狗 Eame One

  与当年 Asimo 踩高跷似的行走姿态不同,更小巧精准的传感器、更强大的动力关节、更好的建模方法等机器人移动技术的进步,让机器人流畅行走成为可能,也推动四足机器人大步迈向应用市场。

  追觅科技工业四足机器人最大行走负载(有效载荷)30kg,最大站立负载 60kg,可定制加装专业模块,智能分析发现设备、环境异常并及时告警。结合具体行业需求,可以搭载相关的设备,包括救援工具、喊话器、图传相机、补给品等,在复杂地形环境、恶劣环境甚至有毒有害等场景下工作,协助工作人员进行安防巡逻检测、探测探索、公共救援等工作。

  一、追觅工业四足的技术名片

  基于自研核心部件,协调机器人四肢、取得良好平衡,并安装了让机器人知道「我在哪?我要去哪里?该怎么去?」的感知交互系统后,追觅科技的研发工程师们最终创造出了这款「能够代表追觅科技广义机器人技术实力」的工业级四足机器人。

  由于四足机器人的商业化应用还比较少,缺乏标准化产品,电机主要由机器人公司自主设计或找伺服器厂商定制。而自主研发的伺服电机,正是追觅科技创新机器人产品重要的科技名片之一。追觅科技工业级四足机器人搭载的电机自重不超过 500g,额定力矩达到 2Nm,最大力矩 10Nm,电流环带宽≥ 1.5kHz,可承受 180 ℃高温,足以满足工业场景作业需求。

  和应用于吹风机、吸尘器的高转速马达不同,工业四足机器人需要在行走、奔跑甚至跳跃姿态之间不断切换,电机一直处在正转、反转快速切换状态中,需要有较快的响应速度,这就要求电机转动惯量小、重量轻,因此四足机器人的电机设计更侧重高扭矩密度、高功率密度、转动惯量小、响应速度快。

  " 低速、大扭矩电机,再配合小减速比的传动机构,就能实现关节的快速力矩响应 ",追觅科技的研发人员告诉机器之心,低速大扭矩的电机会引发较多电机极对数和较高工作电流,这就对关节驱动器的性能和结构的散热性能,提出了更高要求。能够做出兼顾这些综合性能的伺服电机难度很高,而追觅科技已经在该项机器人核心技术上占领了研发高点。

  不止是电机,追觅科技还将自研能力拓展至机器人的膝关节。追觅科技自研伺服关节包含 60 多个零件,关节内部还集成了高速端与低速端两个绝对值编码器,无论机器人的初始姿势如何,都可以在任意位置姿态下上电,恢复正常工作,体验感更优。

  而之所以选择自研关节,上述产品经理解释称 ——

  首先,足式机器人对比其他形态机器人的核心优势在于其腿足形态的地形适应能力。因此在设计各种形态、尺寸、负载、成本等指标考虑时,需要推算出对伺服关节的特殊需求,这是足式机器人的核心技术。

  另外,当前上游供应的成品关节,有时难以满足特定需要;此外,从数量需求和成本层面考虑,每个四足机器人具有 4 条腿共 12 个关节,随着将来机器人规模量产,自研能够有效降低成本。

  为了使机器人关节输出足够大的扭矩,往往需要增加减速器,它也是工业机器人三大核心部件之一。追觅科技减速器的设计采用了行星及其衍生的行星传动类型,其中,负责传递载荷的传动件采用了具有优秀淬透性的高强度铬钢,结构部分采用了铝合金和镁合金。

  " 镁合金成本更高,但重量会比铝合金材料的轻 1/3,这带来的好处就是 —— 整机更轻,机器人的续航能力更强;此外,惯性更小,响应速度会更快,机器人的身体控制也会更加稳定。" 上述研发人员进一步解释道。

  值得注意的是,在膝盖的关节设计上,追觅科技之前推出的 Eame One 采用四连杆结构来控制小腿伸缩,现在这款工业级四足机器人则采用了丝杠传动

  技术层面上,丝杠传动配合一定长度的力臂,可带来很大的减速比,满足工业级四足机器人负载大的要求。而且,与减速器方案恒定的传动速比不同,丝杠加连杆的传动速比在整个膝盖运动范围内是非线性的,利用这一特点,结合仿生学的特性,追觅科技设计出了特定的速比曲线,在增强电机负荷能力的同时,提高了运动速度。

  从成本方面来看,为了实现较大传动比(一般 20:1 以上),机器人关节电机通常使用谐波减速器。但谐波减速器成本高,后期维修难度也较高。追觅科技采用了更优的组合方案能显著降低成本。

  仿生四足机器狗 Eame One,腿部传动采用四连杆结构,控制小腿的伸缩。

  除了核心硬件,敏锐的感知交互系统也是追觅科技这款工业级四足机器人另一张亮眼的技术名片

  与扫地机器人所处的家庭场景不同,工业级四足机器人的作业环境更加复杂 —— 不仅地形更加多变,还要面临上下楼梯、爬坡等挑战。自由度也从平面运行空间的 3 自由度变成了现在的 6 自由度,对机器人构建三维空间地图并依据先验地图进行高精度连续定位,提出了更大的挑战。

  比如,要想顺利爬楼梯、跨越障碍,就要对周围环境实时建图,然后由导航规划算法判断出机器人最佳落脚点。" 无论是判断楼梯高度,还是落足点的规划策略,都经过了研发团队上千次的实验与测算 "。追觅科技的一名工程师如是说道。

工业级四足机器人应用示意

  在局部地图构建中,追觅科技的研发人员给机身配备了环视深度相机。深度相机利用 TOF(光线飞行时间)技术,能在传统二维 RGB 成像基础上生成近距离、高精度三维点云信息,结合坡度、跨高、崎岖度以及机器人自身运动局限性等属性,机器人即可获取局部可通行地图,安全跨越障碍。

  在全局地图的构建上,追觅科技的工业级四足机器人用到了机械旋转多线激光雷达,具有水平方向 360 度视场角,实现场景的三维点云地图构建,为四足机器人与环境的精细交互作业提供基础。

  工业环境往往充满各种电、磁、光,会对各类传感器造成不同程度干扰,导致相机图像模糊、GPS 信号丢失、磁力计失灵等。为了保证机器人实时局部定位和全局定位的精度和鲁棒性,追觅科技的工业四足机器人采用了多传感器信息融合技术,即使某些传感器暂时性宕机,SLAM 以及自主导航避障系统仍能正常工作。

工业级四足机器人应用示意

  为了让工业级四足机器人在泥土沙地、大坡小坎、植被丛生等环境下稳健行走,以及上下楼梯、钻入狭窄空间时如履平地,追觅科技采用了一种将全身力控制(WBC)和模型预测控制(MPC)相结合的控制器。鲁棒性、动态性能好,抗扰动性强,与工业场景具有天然适配性。

  从负载能力上看,追觅科技的这款工业级四足机器人最大行走负载(有效载荷)可达 30kg,最大站立负载 60kg。" 我们在前期设计时就反复校验了设计指标,在关节性能设计上已经考虑了后期作业中的负载特性,让算法和物理关节有机融合,使得机器人能够轻松掌控不同动态作业需求。" 上述追觅科技研发工程师补充道。

  二、供应链与制造的力量

  马斯克曾将现代工厂的建立,视为特斯拉成为一家真正汽车公司的标志。戴森创始人确信「生产线和工厂是浪漫的地方,它们真的很让人兴奋」。

  在中国工业实力最强的三大城市之一苏州,追觅科技建造了智能工厂,能够满足机器人核心零部件的生产到组装的一整套需求。

追觅科技智能工厂

  对于科技企业而言,拥有突破性创新仅是第一步。能否拥有技术工程化的能力,将创新技术落地应用量产,考验的是企业制造和供应链能力。

  或许,这也是为什么马斯克在其人形机器人 " 擎天柱 " 原型机刚亮相之时,就敢预测,3-5 年后,人们可以订购 2 万美元以内的人形机器人。机器人有很多零部件是通用的。特斯拉的人形机器人传动之所以采用滚珠丝杠,正是考虑到了与其汽车业务线的协同和量产。

  在伺服电机的研发环节上,追觅科技不仅具有相关的研发、设计人才,还有完善的研发与检测流程。追觅科技的智能工厂拥有 12 条智能化数码无刷电机生产线,同时追觅科技还有 2.5 万平米实验室和测试区域,为四足机器人的大批量生产制造、规模化应用提供了有力支撑。

追觅科技智能工厂

  同样,追觅科技在消费端机器人的零部件供应链,也可以复用到产业端。追觅科技上述产品经理介绍称,以关节模组、传感器组件为例,追觅科技工业级四足机器人的很多零部件,或是与消费端通用,或是同一厂家出产的不同型号。同时,基于追觅科技在消费端积累的议价能力和成本管控能力,追觅科技这款工业级四足机器人在未来规模化量产时,会更加具备价格竞争力。

  目前,追觅科技已经具备完整的机器人产品设计、研发、生产制造能力,能够保障产品品质稳定可靠。

  综合来看,消费类机器人量产需求带来的产品管控能力构成了追觅科技的长板,将制造和供应链能力长板能力以及技术成功经验转移到 B 端,追觅科技为四足机器人的产业化应用带来了新的可能。

  三、「跨界」工业四足机器人的背后

  追觅科技聚集了一群热爱技术的极客,他们有着自己独特的思维方式 —— 如果想要看到事物本质(比如,到底什么是机器人)时,不妨拆分它们,直至它们被拆分至最小单元,即 " 第一性原理 "。

  因此,追觅科技对广义机器人的定义并不在于其形,而是聚焦在了最小变量、最基本元素 —— 机器人的传感、处理与执行。从创立之初,追觅科技便持续深耕广义机器人的底层技术:一方面做执行器件,将高速数字马达做到行业领先水平;另一方面加强机器人的传感处理能力,比如 AI 算法对视觉信息数据的处理。

  从这个逻辑出发,追觅科技在智能清洁机器人领域取得的成绩,可以看作是机器人的核心能力在具体应用端的验证。就像戴森的气旋分离器只是其应用于吸尘器产品的第一项核心技术,但戴森从未将自己定义为一家吸尘器公司。

  或许,我们可以借由戴森的技术路径去理解追觅科技这类技术驱动型公司在业务上 " 不拘一格 "。对于戴森来说,吸尘器只是迈出的第一步。他们一直专注于开拓核心技术,并靠这些技术在越来越多的领域延伸出更好的产品 —— 从干手器、吹风机、空气净化器等家电,一直「跨界」到机器人、AI、电动汽车甚至农业。

  追觅科技每年研发投入占比约 10%,技术人员占比超 70%,逐步构建起数字马达、SLAM 算法、机器人控制、流体力学等核心技术图谱。截止至 2022 年 11 月底,追觅科技全球累计申请专利达 3096 件,其中发明专利申请多达 1141 件,PCT 申请 228 件,已累计获得授权专利 1640 件。其中,广义机器人方面的专利布局累计 200 多件,涉及电控、传动、感知等多个核心技术点。

  对应 " 广义机器人 " 理念,追觅科技的研发体系分为上、下两层 —— 下层瞄准稳定根基的技术积累,比如高速数字马达、室内场景的机器视觉、语音交互等;上层则设置多个创新研究院,负责基于核心技术、供应链的创新技术,研发创新性的产品。上下两层技术共享,线性传承,相互赋能。

  " 我们在扫地机器人领域积累了深厚的 SLAM 技术,具备非常优秀的地图管理系统,包括语义地图自动分割、多地图的管理、自主回充技术等 ",上述追觅科技研发人员介绍称,通过适配数据接口部分,能够快速将这些技术移植到工业级四足机器人上,实现不同品类产品间技术的互通互用,避免重复造轮子,加速新品的应用落地。

  四、反哺与升维

  当我们将目光从广机器人的「诗和远方」,拉回到眼下竞争日趋激烈的家用清洁产品赛道时,发现追觅科技的发展路径,或许能够给智能清洁行业带来新的增长启发。

  " 我们通过对技术指标要求更高的工业场景,积累更多的核心技术高点,这些技术高点又可以复用至我们的 C 端产品,在家用产品上取得创新突破 "。

  当前,扫地机器人这类家用服务机器人仍有较长的进化之路要走。它们只能在相对可控、合理的条件下工作,无法越过 2.5cm 以上的障碍物。它们虽然也能绘制和学习家庭地形,但还是会被一些预期之外的东西搞懵。

  这些都需要环境感知、语义理解等能力的突破。四足机器人是稳定行走的平台,工业应用场景的地形、环境往往更加复杂。基于 WBC 算法构建机器人全身行走与执行的稳定性及状态估计算法,提高了机器人在崎岖地形与外界冲击扰动下运动的稳定性和自适应性,从而提升在非结构环境下的适应能力,能够实现上下楼梯,越过障碍物等行走方式。对于大体积障碍物或垃圾,拥有机械臂的足式机器人,可以执行推开,抓取等处理方式。

  " 在未来,可以从四足机器人的特征物体检测识别、抓取运动规划、执行机构的设计等经验,转化出小型低成本的简易机械臂设计方法与智能控制算法,迁移至扫地机器人,解决垃圾拾取、收纳整理物品等更多家政服务难题 ",追觅科技的产品经理介绍称。

  当然,新技术的首次推出,也往往伴随着高昂成本和 C 端用户难以企及的价格。这也是为什么创新技术往往会最先在支付得起高昂技术成本的工业领域启用。技术成熟、成本下降之后,最后才演变为消费品。

  戴森研发出数字马达时,由于电子电路太贵,数字马达的价格是传统马达的五倍以上,戴森等待新技术成本降下来后,才将其用到所有吸尘器产品上;同样一架无人机的售价曾经高达数百万美元,而且用途有限,直到研发人员找到用多个协同旋翼让小型飞行器悬停的方法后,随着价格的急剧下降,无人机才被广泛用于摄影、工业、农业、物流、航空测量等领域。

  有机器人行业人士认为,足式机器人已经走上类似无人机的道路。据了解,追觅科技这款完成研发的工业级四足机器人,成本上已低于传统机器人,在安防、巡检、救援、勘察、测绘等场景下显露出更加清晰的应用可能。

工业级四足机器人应用示意

  从创立的第一天起,这家公司就将贝尔实验室、臭鼬工厂放在了内心深处殿堂般位置 —— 想要造出代表未来的机器,鼓励每一个人大胆实验、创新、解决问题,善于将技术与丰富的制造经验相结合,施展强大创造力,去实现目标。

  追觅科技也从来没有把自己定位为一家小家电公司或智能清洁产品公司,而是把自己定位为一家广义机器人公司,并逐步朝着广义机器人生态演进,让机器人技术更加深度地服务家庭和社会,同时在这过程中,孕育出百亿、万亿级商业想象力。

  用追觅科技创始人俞浩的话来说," 我们的最终目标是想做一些面向未来,能促进生产力提升十倍、百倍的事,用科技推动人类社会与文明的进步…… 我觉得机器人是非常棒的,它代表了一种人类之光的方向,能带来社会进步 "。

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shuohang

这家伙很懒,什么也没留下,却只想留下你!

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