運動(dòng)機器人“智障”了嗎？

小孩子都能做到的動(dòng)作，對于機器人行業(yè)來(lái)說(shuō)卻是非一朝一夕就能做到的。

在草坪上奔跑、跳躍、后空翻，一步一個(gè)坑；吭哧吭哧爬樓梯，震的樓梯一直顫抖......

這些“搗蛋行為”，都來(lái)自波士頓動(dòng)力的機器人。

從這家公司發(fā)布第一個(gè)機器人運動(dòng)視頻開(kāi)始，幾乎每一次，它們的新動(dòng)態(tài)都能引起行業(yè)的極大關(guān)注。原因無(wú)它，打上“波士頓動(dòng)力”標簽的機器人，在運動(dòng)控制方面，都是行業(yè)頂級。

但即便如波士頓動(dòng)力的運動(dòng)機器人，實(shí)現那些小孩子隨手可作的動(dòng)作行為時(shí)，依然表現的無(wú)法令人滿(mǎn)意。對機器人行業(yè)來(lái)說(shuō)，運動(dòng)能力為什么會(huì )這么得難？

這得從運動(dòng)機器人的發(fā)展歷程開(kāi)始說(shuō)起。

事實(shí)上，運動(dòng)機器人的準確研發(fā)史很難追溯。兩千多年前古代中國人發(fā)明的指南車(chē)大概可以稱(chēng)得上是運動(dòng)機器人這一概念的鼻祖了。車(chē)內搭載一個(gè)“機械傳動(dòng)系統”，利用傳遞轉向時(shí)兩車(chē)輪的差動(dòng)信息指明方向，無(wú)疑這是機械控制技術(shù)的一次成功應用。

到1961年，Unimation為通用汽車(chē)研發(fā)了世界第一臺工業(yè)機器人，用于生產(chǎn)汽車(chē)門(mén)、車(chē)窗把柄、換檔旋鈕、燈具固定架，以及汽車(chē)內部的其他硬件等。至此，機器人開(kāi)始替代人類(lèi)，逐漸被應用于多個(gè)傳統產(chǎn)業(yè)中。

而隨著(zhù)現代相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng )新應用的出現，單純的機械運動(dòng)早已不能滿(mǎn)足需求，運動(dòng)機器人的概念開(kāi)始被慢慢普及開(kāi)來(lái)，研發(fā)難點(diǎn)也被廣泛重視起來(lái)。

運動(dòng)機器人，應該是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規劃、行為控制與執行等多功能為一體的綜合硬件系統。

要做到這些，便要求我們在機器人“體內”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(dòng)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(dòng)腦”，而這些在世界范圍內，都不是短時(shí)間可以達成的。

沒(méi)有運動(dòng)腦，機器人只能是“人工智障”

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

機器人運動(dòng)控制有多難？它們被稱(chēng)為“智障”是不是太委屈？不妨來(lái)看看以下這個(gè)視頻。

視頻 | 機器人出錯集錦

雖然是一個(gè)搞笑視頻，但不難窺見(jiàn)，所謂的“運動(dòng)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(shuō)，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張銳認為，“它們需要擁有一個(gè)‘會(huì )運動(dòng)的腦子’，也就是‘運動(dòng)腦’。”

縱觀(guān)當前推出的各種運動(dòng)型機器人，要么只能“站”在原地，用一個(gè)“畫(huà)”著(zhù)人臉的屏幕說(shuō)著(zhù)前言不搭后語(yǔ)的話(huà)，可以稍微點(diǎn)頭搖頭；要么就是一舉一動(dòng)非常機械，擺動(dòng)著(zhù)雙手雙腳跳舞，毫無(wú)實(shí)際應用意義可言。

能自主規劃路線(xiàn)、感應環(huán)境自動(dòng)避障地移動(dòng)，可以通過(guò)靈活的關(guān)節不機械地活動(dòng)，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(dòng)和活動(dòng)。

移動(dòng)得不好，就會(huì )亂碰亂撞；活動(dòng)得不好，就毫無(wú)靈性，彷如智障。

移動(dòng)的關(guān)鍵在“底盤(pán)”，機械結構設計、傳感器和算法三者缺一不可

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

科沃斯機器人（南京）人工智能研究院院長(cháng)于元隆表示，“底盤(pán)”其實(shí)只是一個(gè)載體，其中搭載和應用了傳感器、智能算法和驅動(dòng)機構等三大關(guān)鍵技術(shù)。

從當前移動(dòng)機器人的工作狀態(tài)看，其主要的工作流程應該是“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(guò)分析環(huán)境信息給出‘執行命令’，最終控制驅動(dòng)機構輸出行為動(dòng)作。”

傳感器方面，更準、更高精度的環(huán)境感知能力是評價(jià)其性能最重要的指標。但高性能的傳感器，就意味著(zhù)高成本。以科沃斯為例，克服傳感器依賴(lài)進(jìn)口、高成本等問(wèn)題，擁有自主研發(fā)的傳感器專(zhuān)利是唯一解決之道。

而智能算法，也是近幾年各大機器人廠(chǎng)商重點(diǎn)發(fā)力的部分。這其中，涉及到了環(huán)境感知、導航定位、避障、決策、視覺(jué)、語(yǔ)音、人機交互等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

同時(shí)于院長(cháng)也表示，“現在各個(gè)廠(chǎng)商在智能算法方面還處于淺水區，只是做到了一些基本功能的應用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是現在的機器人還不夠聰明。”

這里的“不夠聰明”體現在三方面：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合是一種有效的解決方式。當機器人可以有效地感知環(huán)境變化、準確地推理和做出決策、結合用戶(hù)需求提供針對性服務(wù)時(shí)，就是我們進(jìn)入“深水區”的時(shí)候了。

驅動(dòng)結構方面，則涉及了機械結構設計、有效驅動(dòng)力、減速器等多個(gè)機械工程問(wèn)題。而這些，都直接關(guān)系到機器人移動(dòng)時(shí)的靈活性。

想必，誰(shuí)也不想看到機器人要么不動(dòng)，要么“嗖”地沖出去然后撞倒墻上的場(chǎng)面吧。

也正因為此，當前大多移動(dòng)機器人應用都只局限于室內場(chǎng)景中。而市場(chǎng)所需要的機器人，應該擁有更多的能力，如自然地做著(zhù)肢體動(dòng)作，可以“端茶倒水”，甚至“翻山越嶺”。

這就涉及到機器人的活動(dòng)能力了。

活動(dòng)的重點(diǎn)在“關(guān)節”，伺服舵機和運動(dòng)算法成制勝關(guān)鍵

談及“活動(dòng)”機器人，最為常見(jiàn)的，就是舞臺表演類(lèi)機器人。

旋轉、揮手、踢腿……這些都是跳舞機器人最為常見(jiàn)的動(dòng)作。其中，以上過(guò)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(shuō)過(guò)，“伺服舵機本身就是一個(gè)比較難的技術(shù)壁壘。尤其是大扭矩伺服舵機，在全球來(lái)講都是機器人產(chǎn)業(yè)里一個(gè)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(jìn)算法、旋轉自由度等多種技術(shù)問(wèn)題。也正因為此，伺服舵機能夠極大的提升機器人活動(dòng)時(shí)的關(guān)節靈敏度。所以?xún)?yōu)必選沒(méi)有放棄研發(fā)伺服舵機，盡管他們花了近5年的時(shí)間，耗資半億。

其實(shí)，伺服舵機并不是一個(gè)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。只是當時(shí)進(jìn)口成本極高，即便是最低性能的成本價(jià)也需要50美元/個(gè)，且早期需求量不高，所以一直沒(méi)有被廣泛應用。

對此，周劍表示：“一般來(lái)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(lái)，一旦量少，供應鏈就根本起不來(lái)，相應的芯片、CPU、電池成本也都降不下來(lái)。”

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

然而，正如周劍所說(shuō)，中小型企業(yè)在早期“量不大”且進(jìn)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(dòng)了，要怎么讓它動(dòng)起來(lái)呢？

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

機器人也應該是這樣的。不同場(chǎng)景下，步態(tài)及身體的每個(gè)部分，都會(huì )表現出不同的運動(dòng)狀態(tài)。說(shuō)的通俗點(diǎn)，機器人在活動(dòng)時(shí)應該更接地氣，而不是只會(huì )木訥的重復著(zhù)單一或僅有的幾個(gè)動(dòng)作。

這需要一個(gè)同樣接地氣的算法。

什么時(shí)候動(dòng)？動(dòng)哪里？怎么動(dòng)？頻率如何？幅度多大？這些都是在做算法時(shí)必須考慮的事情。尤其在場(chǎng)景多樣化且復雜時(shí)，算法開(kāi)發(fā)的工程量將成倍增加。

徐凱強也說(shuō)，“讓機器人動(dòng)動(dòng)手腳，看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但為了做好這一點(diǎn)，我們花了整整三年的時(shí)間。”

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

而這其實(shí)已有解決方案。只要給機器人加上一個(gè)基于Gazebo的仿真平臺和基于Ubuntu的ROS系統，其在硬件接口和開(kāi)源等方面就能接入更多的開(kāi)發(fā)者了。

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

無(wú)獨有偶，Vincross也是從運動(dòng)控制技術(shù)出發(fā)，為機器人開(kāi)發(fā)者提供便捷的開(kāi)發(fā)平臺的。

“行業(yè)公認的，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(shí)際上，由于機器人開(kāi)發(fā)技術(shù)門(mén)檻高，目前大多數的開(kāi)發(fā)者還難以勝任機器人開(kāi)發(fā)任務(wù)。因此，我們需要一個(gè)可以提供便捷操作的平臺，這是開(kāi)發(fā)與創(chuàng )新的先決條件。”

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是基于機器人搭建一個(gè)編寫(xiě)簡(jiǎn)易的開(kāi)發(fā)平臺，吸引開(kāi)發(fā)者按照自己的想法，賦予機器人更多的功能。

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

當然，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的游戲類(lèi)應用。隨著(zhù)運動(dòng)機器人場(chǎng)景地增多和應用創(chuàng )新地增加，開(kāi)放平臺將極大地縮短開(kāi)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

據不完全數據統計，僅國內創(chuàng )企，就有超40家專(zhuān)門(mén)從事運動(dòng)機器人研發(fā)的公司。其中，已經(jīng)市場(chǎng)商業(yè)化的已超過(guò)了80%，且分布于各個(gè)領(lǐng)域中。

這里先分享一個(gè)酒店應用場(chǎng)景下的案例：

去年，蘇州洲際酒店應用移動(dòng)機器人用于代替人工負責領(lǐng)路、送餐等工作。在其2017年12月基于攜程平臺的48條評價(jià)中，有11條提及了“機器人”這一關(guān)鍵詞。

通過(guò)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(hù)，在應用機器人之前的綜合評分只有4.5分，但在應用機器人之后，評分就有了很大的增長(cháng)，甚至有些在短期內上漲到了4.8分以上。除此之外，1個(gè)機器人最多可以替代4個(gè)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(shuō)。

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(hù)的普遍認可。而在農業(yè)、醫療、城市安全、國防和空間探測等更為垂直的領(lǐng)域中，運動(dòng)機器人也開(kāi)始去到人類(lèi)難以去到的危險地帶，從事一些極具挑戰性的工作，所發(fā)揮的價(jià)值也越來(lái)越大。

毫無(wú)疑問(wèn)，運動(dòng)機器人行業(yè)的藍海已現。

總結

波士頓動(dòng)力機器人雖然是“業(yè)界傳奇”，卻也依舊沒(méi)能達到讓人滿(mǎn)意的程度。

但需要明確的是，在機器人三大關(guān)鍵要素中，運動(dòng)控制確實(shí)是最難且最復雜的，并不是能一蹴而就的。

然而，值得一提的是，當前機器人應用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)尚未成熟，大多為固定且極為垂直，如酒店、商場(chǎng)、實(shí)驗田等，雖然專(zhuān)業(yè)度要求比較高，但對機器人運動(dòng)的處理和復雜度要求不高，有些甚至只要擁有底盤(pán)移動(dòng)能力就可以了。

這是機器人產(chǎn)業(yè)的成就。

當然，更具交互性、個(gè)性的機器人是用戶(hù)最終所需。未來(lái)，機器人所能提供的服務(wù)將越來(lái)越多，真正“類(lèi)人”的通用型機器人也或將成為主流。雖然前路漫漫，仍然值得奮斗。

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