智匠科技 | 双足机器人的现状与优必选的Walker机器人

优必选&walker机器人
成立于2015年的钢铁侠科技，也是国内双足机器人研发的典型代表，其研发团队来自于中国科学院和航空航天所，在2017年的世界机器人大会（WRC）上，钢铁侠科技展出了ART双足大仿人机器人，并受到国务院副总理刘延东、马凯的接见。
ART双足大仿人机器人
行动能力第一强的双足机器人，一定要说波士顿动力的Atlas。而这款机器人则是由波士顿更早的Petman迭代而来，最初是为能模拟士兵在现实条件下对防护服的作用而设计的。当时Petman已具备平衡自身、自由行走以及弯曲身体的能力，甚至还能暴露在化学试剂的操作车间里作出各种对化学防护衣有压力作用的健美体操。
前段时间在网上大秀后空翻的Atlas，实际上已经是经历了三次迭代的第三代产品，其身体内部以及腿部的传感器可采集位姿数据，来保持身体的平衡。现在Atlas不仅可在雪地等复杂路面行走，还可以稳稳地后空翻，运动性能十分优越。

Atlas机器人
2000年日本本田公司推出的Asimo在行动能力上十分灵活。它的行走速度可达9km/h。而早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来顿一顿，看起来也十分笨拙。而Asimo灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，它不仅可以进行“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作，还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐起舞。因此，Asimo也被认为是全球最早具备人类双足行走能力的类人型机器人。

Asimo机器人
2017年俄勒冈州立大学研究团队公布了一款名为Cassie的新型步行机器人。只有下半身以及反关节的设计，让Cassie看起来像一只无头鸵鸟。尽管“十指”纤纤，Cassie的步子走的可是稳稳的。如今Cassie的研发团队已从俄勒冈州立大学脱离出来，并建立了自己的机器人公司Agility Robotics——该公司近日刚获得了800万美元的融资。
总体来说，双足大仿人机器人的风头一直被海外公司和研究机构占据，国内主要以项目研究为导向，在商业化领域鲜有动静。不止于美国波士顿动力，日本本田等公司都在“人形机器人”项目上不遗余力地砸钱。
双足机器人的市场主方向
从目前双足机器人研究情况和市场前景来看，像NAO、优必选Alpha等小型双足机器人，主打儿童市场的陪伴和娱乐方向，“跳舞”更成为其主打的一项功能。而对于大型的双足机器人，目前在市场上的表现，主要是在高校、科研院所、科技馆等场景中，为其研究、教育、展示来服务。

NAO机器人&Alpha机器人
无论是完善的技术研发，还是繁杂的供应链管控，强大的资金支持，双足机器人领域都设有极高的门槛，不仅要求电机、双足等复杂的机械控制系统，还需具备环境感知和行动规划等能力，因此大型双足机器人的研发需要大量的资金支持。
双足机器人大多以仿人、类人机器人为主要形态，像Agility Robotics这样的只做半身双足机器人的企业并不多。而Agility Robotics公司称考虑将物流和快递运输作为其落地的主要场景。目前大型双足机器人的落地方向主要是在科研机构和科技展馆，那么为什么双足机器人没有将服务机器人作为自身落地的一个重要方向呢？
首先，服务机器人的市场在前两非常的火爆，各地出现了不少夺人眼球的机器人餐厅，也有许多在银行、酒店等为客人进行引导的机器人，而从形态上看，大部分都是轮式的机器人。一方面相比于双足机器人，轮式机器人的开发难度低，成本也低，因此有不少小型玩家涌入，市场也就得到了扩展，另一方面，目前市场对机器人的需求还没有达到刚需程度，对交互要求极高的服务机器人来说，目前的智能化发展尚未达到要求。因此，即便是价格较低的轮式机器人在服务机器人市场上都有待开拓，更不要提双足机器人了。
那么，有必要研发双足机器人吗？答案是肯定的，毋庸置疑的是，仿人、类人的双足机器人一定是机器人的终极形态，目前的研发都是在一步步进行铺垫。虽然目前的双足机器人还停留在“中看不中用”的尴尬阶段，但其对科研的价值是十分重要的。同时，科研院所，科技展馆也在一定程度上形成了双足机器人现有的市场格局，随着国内科技热潮的掀起，仅在“中看”这一点上，双足机器人还拥有非常好的市场前景。

双足机器人的技术瓶颈
从某种程度上来说，“像人”是一种仿生学理念，机器人名字里又占了个“人”字，自然会让不少研究者走上双足机器人研究的道路。但目前市面上的机器人，即便是四足、多足其运动能力仍是一大问题，更不用说双足机器人了。那么问题到底出现在那里了，是什么限制了机器人的“两条腿”呢？
从原理上看，双足机器人行走问题可简化为，通过各种传感器获取机器人体态及重心变换的数据，再运算出合理有效的运动指令，然后再反馈再运算。以这种思路来说，考虑到运动环境的模糊性即便比较高，也不至于像现在这么笨拙。
现实情况是，人类行走是多关节配合的动作，因此目前市面上大部分机器人都是使用舵机模拟替代人类关节，用铝合金或其他轻型高硬度材料来制作机器人的结构件，类似于人类的骨骼，从而来支撑机器人的整体。用轻型、有强度的材料制作机器人的顶板和脚板，模拟人类的胯部和脚掌来支持机器人的行走与稳定。其中舵机由芯片控制，进而控制整个关节的活动，从而实现了对步伐的大小、快慢、幅度的调整。这其中既包括设计、材料等硬件问题，也包括算法等软件方面的制约。
硬件研发方面，整个行业迭代速度太慢。由于双足机器人从结构设计到组装调试，都需要相当长的研发周期，也更烧钱，硬件是不可能像软件一样，写完程序后直接运行就能及时得到反馈的。当然，最核心的问题是具体的技术细节，比如精确的力控，都掌握在一些顶级的硬件厂商里，而它们不会将其像软件一样开源出来，小型企业资金和实力不足也无法下大力度进行研发，这也限制了行业的整体发展。
软件算法方面，最大的制约是人类还不清楚行走的最基本原理，这与人类不清楚人脑工作原理是一样的。在算法方面，目前业内的做法是把复杂的行走问题抽象，提取出来一个比较简单的模型，比如Asimo的线性倒立摆、Cassie的弹簧质点模型，然后基于对简单模型的分析，生成行走步态，映射回双足机器人上。但是这样的做法，显然只是一个复杂系统的特殊解，还做不到应付任何情况的程度。

回归现实，尴尬的优必选Walker双足机器人
介绍了不少双足机器人，对双足机器人的市场方向和技术难点有了初步了解，那么我们再回到文章开头，优必选的Walker双足机器人，小编很不解，机器人的手臂呢？
首先从步态来看，采取的应该是传统的位置控制，如果能够做出力控的性能绝对是产品技术上的一大亮点。
在目前的工业界几乎都在使用着传统的位置控制，比较典型的就是：机器人沿着事先规划好的轨迹在封闭、确认的空间中运动。或者有些时候，机器人得到从视觉系统的反馈，这样就能使得位置控制的机器人具备一定适应外界可变环境的能力。
但是在某些应用场合中——更加精确地控制施加在末端执行器的力比控制末端执行器的位置更加重要时，力控就必须得到引入，即：单单将关节目标位置作为控制输出量远远不能达到应用的要求，必须引入力矩/力控制输出量，或者将力矩/力作为闭环反馈量引入控制。
所以基本上有一个共识：“未来的机器人运动控制领域，必须引入力控，纯位置控制是没有前途的。”
在视觉方面，从和主持人的互动来看，应该该有的都有，像U-SLAM、深度相机etc。另外，优必选还自主研发了新一代基于三维视觉的定位导航系统——U-SLAM，在双足机器人自主运动的过程中，其不仅可以实时定位、路径规划与动态避障等，领先的防抖算法还能有效的解决由本体运动引起的视觉抖动问题。
在力/力矩传感器方面， 因为步行中没有展示相应的力控性能，所以不是很确定单个驱动器的模块有没有配备相应的力、力矩传感器。但是在下楼梯那个运动中，可以仔细发现，机器人的前脚掌在接触下一个台阶时，都有一个微小的“探脚”动作，可以判断脚掌是装有相应的触觉传感器的。
在驱动器方面，驱动器给人的直观感觉是“真的很安静”。从整体身高和“估摸”着的体重来看，有可能是采用常规电机+减速箱的驱动器设计。还是不能确定单个驱动器单元是否配备相应的力、力矩反馈性能：即电流环、力矩传感器、 SEA类似的弹性体设计。
不过从步行的效果来看，每个关节具备一定柔性（Compliance），但是在看见驱动器之前，并不能判断这个柔性是来自物理柔性（SEA设计）还是后续的电机控制的柔性。
在机械设计方面，每条单腿也是采用的常规的3-1-2（Trunk-Knee-Ankle）的自由度分布，且是最为传统的驱动器排布，没有做任何减小惯量（提高驱动器物理位置，设计相应的机械传动机构）的设计。
而没有双臂的设计，对现阶段步行的稳定性是有益处的，但是欠缺上身操作的能力还是挺遗憾的，尤其是在具体的市场应用之中。
由此可见，即使是我们的独角兽研发出来的双足机器人，也是存在着很多“遗憾”，不过，就全球的技术来看，研发出一款真正的类人机器人还是有一定难度的。好在双足机器人有其固定的应用场景和研发需求，所以，未来双足机器人的前景还是一片大好的。

机械设计，这是中国企业的强项

优必选是国内较早一波的智能机器人厂家

可以