智能柔性关节 机器人腾挪跳跃的秘诀

采用智能柔性执行器SCA搭建而成的智能柔性服务机器人，全身共34个自由度，即34个关节。受访者供图

机器人会端茶倒水、导航引路、跳舞、答疑解惑……近日召开的2019世界机器人大会，让观众再次惊叹，越来越多更灵活、更智能的服务机器人正来到我们身边，人机共存的智能时代加速来临。

和人一样，决定机器人灵活度的是关节。此次机器人大会上，前沿驱动（北京）技术有限公司的INNFOS研发团队带来的历经数年自主研发的全系列智能柔性执行器SCA（Smart Compliant Actuator），以及基于该技术的两款产品吸引了极大关注。

智能柔性执行器一直是机器人，尤其是服务机器人研发生产的难点。SCA是如何攻克这一难题的，该技术究竟有何过人之处？

柔性关节制约我国服务机器人发展

智能柔性执行器，即柔性关节对机器人的重要性不言而喻。机器人的所有动作都离不开关节。

“业界根据人的肌肉和骨骼模拟出机器人关节的自由度，通常我们所说的多少个自由度就是多少个关节，比如工厂里机四轴机械臂，其中的一轴就是一个关节。”INNFOS联合创始人朱梓鸣解释道，对一台机器人来说，关节成本占硬件总成本的70%以上。

而且服务机器人与工业机器人对关节的要求又大为不同。

朱梓鸣介绍道，工业机器人要求长久稳定性，对灵活性和自适应性要求不高，“它们只需要按照规划好的路径运动就可以，不用有很多的变化。而服务机器人则不同，行走、运动等功能自然对关节的灵活性要求极高。所以工业机器人的关节大多是刚性执行器，而服务机器人则需要智能柔性执行器”。

此前最知名的人形机器人来自波士顿动力。早在2017年，该公司机器人的一段跳跃、旋转、后空翻的视频惊艳了整个机器人圈。大家纷纷感叹，这个机器人的关节也太灵活了。

但这并不意味着智能柔性关节已经不是问题。恰恰相反，“据我们了解，目前国际上大概只有三四家掌握智能柔性关节技术，其中波士顿动力的技术不公开，MASA同样也不公开对民用开放。”朱梓鸣说。

正因如此，截至目前，工业机器人大多采用体积大、刚性强的传统伺服系统，而服务机器人由于身形限制，无法使用传统伺服，只能勉强装备更多用于航模、玩具等开发的舵机。

“舵机故障率高、噪音大，不够智能，这也是为什么我们老感觉目前服务机器人总有些笨笨的感觉。”朱梓鸣说，缺少高性能柔性关节成为服务机器人发展的一大障碍。

“所以我们从头做起，花了7年时间，研发出了智能柔性执行器SCA。”朱梓鸣说。

技术秘诀在于核心动力系统集成

简单来说，出现在此次大会上的智能柔性执行器SCA，将传统工业伺服系统做到了舵机大小，并兼顾了两者优点。“将工业伺服系统应用于服务机器人，要解决的核心难题就是如何在不牺牲性能的情况下，将其缩小到适用于服务机器人的体积。”朱梓鸣说。

工业伺服系统包括电机、驱动器、减速器、编码器等核心元件，如何将这些原本独立的元器件集成到一起，就像将很多芯片集成到一块电路板上一样？答案是从底层做起，研发能各自匹配发挥出最大效率的电机、驱动器等。

“首先，我们选择了超薄外转子电机，这种电机可以做得很扁平，以前应用领域比较小，没有大规模生产，但我们通过研究发现它的扁平化特征很适合用来做集成的执行器。”朱梓鸣说。

在搞定合适的电机后，研发团队又根据电机特性研发出高度匹配的驱动器、编码器等器件。

举个例子，通用的传统工业伺服驱动器适用于很多种电机，但多数情况下会有冗余。“我们为选定的电机研发了特定的驱动器，减少了冗余。”朱梓鸣说，“所以我们这几年一直在做的一件事，就是不停调整摸索这几个元器件的关系，琢磨怎么让它们在尽量小的空间里互相配合，发挥更大作用。”

最终，SCA实现了在同样性能下体积只有传统伺服系统的十分之一。更为重要的是，我国机器人领域电机、减速器等核心元部件受制于人的状况或将发生一些改变。众所周知，精密减速器、控制器以及伺服电机等机器人核心零部件一直被国外几家大公司垄断，国内企业尚不具备核心零部件自产能力。核心部件受制于人的后果是，不仅价格下不来，利润微薄，且供货周期长。

“我们前几年曾经向一家国际知名的厂商订购了60多万元的电机，这个量在别人那属于特别小的，所以不可能有议价空间，而且起码要等几个月。”朱梓鸣说，这种情况对于国内机器人厂商来说是常态。

“由于我们是从电机、驱动器等做起，所有核心技术都自己掌握，因此再也不会像以前那么被动，而且我们给国内外客户的供货速度非常快。”朱梓鸣表示。

降低硬件成本推动整个产业发展

以SCA为基础，研发团队正在开发适用于不同机器人的柔性关节，其中包括专为四足机器人量身定制的柔性关节，以及SCA的复合材料版等。

据业内专家介绍，四足机器人需要完成站立、走动、弹跳、负载等动作，甚至在不同路面环境中完成相应任务，因而其对执行器的要求更加严苛。

一般来说，四足机器人要求执行器具有扭矩密度大、功率密度大、控制系统高度集成、柔性控制等特性。为了满足四足机器人对扭矩的需求，INNFOS研发团队将减速器内嵌其中，在增加扭矩的同时，保证了紧凑的机械机构。同时，减速器的嵌入，让该执行器在整机质量453.1克的情况下，峰值扭矩达19.8牛顿米，也使得其扭矩密度大幅提高，更符合四足机器人对扭矩和扭矩密度的需求。“我们通过电流环，可以低成本的实现力控。与此同时，我们运用准直驱技术，以很小的减速比配上大扭矩密度的电机，便可以做到在低成本、高产量的情况下实现力控。”朱梓鸣介绍道。

柔性控制是机器人类产品中必不可少的特性。研发人员在执行器内部增加了一系列感知元件，配合处理器来监视内部电流的状态，最后在高级动力学算法的支撑下可实现执行器的柔性技术，做到真正安全实用的人机交互。

该团队发布的SCA复合材料版则将柔性关节的价格降到千元以内。“该技术中所有的动力系统和标准版一样，我们降低成本的秘诀在于使用了散热、精度都很好，但成本较低的复合材料。”朱梓鸣透露。

同时，执行器内部内置一颗高性能多核浮点运算处理器，专门用来处理电机的运转数据，可以实现实时的高精度控制。

几百元的柔性关节对于服务机器人的发展意义深远。“硬件成本的大幅降低无疑会推动整个产业的发展，尤其是在教育、研发领域的普及。”朱梓鸣认为。