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國產(chǎn)人形機(jī)器人的“手”超越特斯拉 能打麻將、做家務(wù)

發(fā)布時(shí)間 :2024-09-04

我叫遠(yuǎn)征A2,是一款面向交互服務(wù)場景的機(jī)器人,全身具備超過40個(gè)主動自由度的關(guān)節(jié)和仿人的靈巧雙手?!边h(yuǎn)征A2人形機(jī)器人一邊介紹著自己,一邊轉(zhuǎn)動手腕、活動手指,展示著靈巧雙手,動作絲滑柔和,仿佛真的擁有“人類”雙手。

在8月18日智元機(jī)器人年度新品發(fā)布會上,智元機(jī)器人一口氣發(fā)布了“遠(yuǎn)征”與“靈犀”兩大系列、五款商用人形機(jī)器人。其中,最值得關(guān)注的是智元機(jī)器人在靈巧手方面的突破,達(dá)到19個(gè)自由度,并加入MEMS觸覺(利用微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸覺感知與反饋)和視觸覺的多傳感融合,讓靈巧手實(shí)現(xiàn)更廣泛的物體交互。

“手”是人類感知世界的重要工具,一雙靈巧手同樣也是人形機(jī)器人重要的末端執(zhí)行器,當(dāng)它真正學(xué)會通過觸覺來認(rèn)知世界時(shí),或許就是硅基生命“誕生”的開始。

能打麻將 能穿針引線

在2024世界人工智能大會上,“青龍”人形機(jī)器人用雙手緩慢且輕柔地抓起桌面上混合擺放的面包和水果,分類放進(jìn)左右兩個(gè)籃筐內(nèi),即便是柔軟的面包,也不會因?yàn)樽チΧ冃危粰C(jī)器人初創(chuàng)企業(yè)Figure和Open AI合作打造的Figure01,憑借一條清理桌面的視頻火爆全網(wǎng),雙手可以識別并抓取光滑的玻璃杯、扁形的盤子、圓形的蘋果……

當(dāng)人們都在驚嘆于多模態(tài)大模型賦予人形機(jī)器人一顆智能“大腦”時(shí),往往會忽略這些動作的執(zhí)行末端——機(jī)器人的靈巧手。

手,對人類的重要程度不言而喻。從生理結(jié)構(gòu)來看,一個(gè)成年人一只手大約有27個(gè)關(guān)節(jié)數(shù)量,其中包括腕關(guān)節(jié)、腕掌關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)等。若轉(zhuǎn)化為自由度(一個(gè)結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立運(yùn)動的方向)概念,根據(jù)《山西大學(xué)學(xué)報(bào)》上一篇名為《手部姿態(tài)估計(jì)方法綜述》的論文,一只人手的自由度共26個(gè),其中本體20個(gè),手腕6個(gè)。這意味著,人形機(jī)器人的靈巧手想要更加靈活,自由度就要趨近,甚至超過人手結(jié)構(gòu)。

在智元機(jī)器人新品發(fā)布會上,擁有“華為天才少年”和“野生鋼鐵俠”之稱的智元聯(lián)合創(chuàng)始人“稚暉君”(彭志輝)介紹,在動力域方面,智元自研PowerFlow關(guān)節(jié)模組已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化迭代升級,靈巧手的自由度升級為19個(gè),其中通過驅(qū)動器主動控制的主動自由度相比上一代翻倍,為12個(gè)。單手最大負(fù)載達(dá)到5KG以上,可以實(shí)現(xiàn)重物拿取。在感知能力方面,智元機(jī)器人引入MEMS觸覺(利用微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸覺感知與反饋)和視觸覺的多傳感融合技術(shù)。

演示視頻中,智元機(jī)器人打造的靈巧手不僅可以完成握拳、張開、抓取物品等基本動作,還可以手持工具完成擰螺絲、拆快遞、倒水等操作,在基于視觸覺位姿估計(jì)技術(shù)下,甚至可以完成紐扣穿針、識別麻將等“精細(xì)活”。

對比來看,智元機(jī)器人打造的靈巧手已經(jīng)超越具有11個(gè)自由度和6個(gè)執(zhí)行器的特斯拉一代人形機(jī)器人,但距離英國Shadow Robot打造的擁有24個(gè)自由度和20個(gè)執(zhí)行器的Shadow Hand靈巧手還有一定差距。

“一雙手”背后的不同技術(shù)路線

“靈巧手一般采用位置控制和力度控制兩種方式?!眹刂行氖袌鲶w系總監(jiān)楊正葉告訴《IT時(shí)報(bào)》記者,位置控制是機(jī)器人通過計(jì)算物品體積或大小,分析手部抓取需要移動到的空間位置,但當(dāng)計(jì)算出現(xiàn)偏差時(shí)會導(dǎo)致兩種情況出現(xiàn):一是將手指掰斷也要到達(dá)位置,二是將物體直接抓壞。力量控制則是分析抓取物體需要用多大力量,即使出現(xiàn)偏差,也可以減少甚至避免上述兩種情況的發(fā)生。

傳感器是靈巧手控制力度的核心部件。目前,機(jī)器人領(lǐng)域使用最多的還是六維力傳感器,隨著MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)工藝的提升,MEMS壓力傳感器和MEMS慣性傳感器也被逐漸應(yīng)用在靈巧手上,這是智元機(jī)器人采用的技術(shù)之一。

國內(nèi)靈巧手廠商因時(shí)機(jī)器人則押注“觸覺感知”。8月21日,在世界機(jī)器人大會上,因時(shí)機(jī)器人發(fā)布了全新的FTP系列仿人五指靈巧手,在原有內(nèi)置力傳感器基礎(chǔ)上,為指尖、指腹、手掌部位增加了12個(gè)觸覺傳感器模塊,可以讓靈巧手實(shí)時(shí)獲取5個(gè)手指的受力情況和各個(gè)接觸面的觸覺信息。

在靈巧手驅(qū)動方面,各家也是“各顯神通”。藍(lán)胖子機(jī)器智能研發(fā)總監(jiān)王濤在《機(jī)器人靈巧手的研究及應(yīng)用》直播課中介紹,靈巧手驅(qū)動方式包括電機(jī)直線驅(qū)動、連桿傳動、肌腱傳動、氣動、液壓等。

目前,智元靈巧手可以實(shí)現(xiàn)手指左右擺動,達(dá)到張開效果。通過掌心部位驅(qū)動組件連接的多個(gè)傳動連桿,驅(qū)動手指根部部件。而手指彎曲則由齒輪+軸承部件驅(qū)動,內(nèi)置的電位計(jì)可以檢測驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)動角度,并轉(zhuǎn)化為電信號反饋給驅(qū)動模組,從而控制手指的彎曲角度。

因時(shí)機(jī)器人官方公眾號文章則介紹,因時(shí)機(jī)器人打造的靈巧手,內(nèi)部集成了6個(gè)力控微型伺服電缸進(jìn)行直線驅(qū)動,連桿傳動方式可以提升靈巧手抓取強(qiáng)度和精準(zhǔn)度。同時(shí),由于因時(shí)靈巧手采用了電子皮膚等技術(shù),從外觀上看,它與人手更加相似。

兩種技術(shù)路線增速都很快,芯謀數(shù)據(jù)顯示,預(yù)計(jì)中國慣性傳感器市場將以10.2%的增速快速增長,至2027年達(dá)125.7億元。QY Research 數(shù)據(jù)顯示,預(yù)計(jì)2029 年全球機(jī)器人觸覺傳感系統(tǒng)市場規(guī)模將達(dá)到 4.3 億美元。

算力、算法依舊是瓶頸

人形機(jī)器人正從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化,不僅是科技企業(yè)的“必爭之地”,也為核心零部件靈巧手帶來需求增量。根據(jù)頭豹研究院預(yù)測,保守情況下,2030年全球人形機(jī)器人靈巧手市場規(guī)模為320.6億元,年復(fù)合增長率為 81.2%,樂觀情況下達(dá)879.7億元,年復(fù)合增長率為 109.3%。

盡管需求日益旺盛,但技術(shù)與產(chǎn)品仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

王濤介紹,以抓取動作為例,大致可以分為解析法和數(shù)據(jù)驅(qū)動法兩類,解析法是靈巧手通過數(shù)學(xué)解算、物理計(jì)算等方式形成抓取方案,但實(shí)際情況是,許多參數(shù)無法被準(zhǔn)確解析,如抓取摩擦系數(shù)、正壓力、接觸點(diǎn)位姿等。因此目前最常用的還是數(shù)據(jù)驅(qū)動法,即通過現(xiàn)有標(biāo)注好的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

從硬件來看,類似Shadow Hand靈巧手的自由度已經(jīng)十分接近人手結(jié)構(gòu),但自主性還不夠,大多動作還是依靠人類遙控操作的方式實(shí)現(xiàn),自主性還未能實(shí)現(xiàn)。

“如果每0.1毫米都有一個(gè)全面抓取數(shù)據(jù),不用傳感器,僅靠算力調(diào)動就能完成?!睏钫~也表示,目前人形機(jī)器人的抓取功能,是針對某一特定物體或材質(zhì)進(jìn)行訓(xùn)練而實(shí)現(xiàn),想要像人類一樣通過視覺、觸覺等多種感知,判斷不同物體材質(zhì),從而決定抓取力度,目前人形機(jī)器人還做不到。

盡管將多種感知模態(tài)的傳感器集合,可以解決單一傳感器的局限性,并獲得更加豐富的環(huán)境信息,但這也意味著需要更多的算法,將不同模態(tài)的信息構(gòu)建為統(tǒng)一的特征表示和關(guān)聯(lián)關(guān)系,同時(shí)使用算力進(jìn)行信息調(diào)度使用,這都意味著巨大的成本和投入。


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