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| 本文作者： 高秀松 | 2023-08-10 09:59 |
在剛剛結(jié)束的成都大運(yùn)會(huì)閉幕式上，人形機(jī)器人“天團(tuán)”吸引了全球目光。
在第三篇章《夢(mèng)想·致未來(lái)》中，優(yōu)必選自主研發(fā)的人形機(jī)器人Walker X騎著平衡車快速行進(jìn)、急速轉(zhuǎn)圈、高速動(dòng)作，與舞蹈演員“斗舞”拉開(kāi)序幕，并觸發(fā)本次閉幕式的重頭戲。
Walker X騎著平衡車環(huán)繞舞臺(tái)，用手指逐一點(diǎn)亮15塊移動(dòng)屏幕，與宋代著名繪畫藝術(shù)珍品《蜀川勝概圖》進(jìn)行互動(dòng)。隨后4臺(tái)熊貓機(jī)器人優(yōu)悠上場(chǎng)，手拿風(fēng)車和自拍桿，與樂(lè)隊(duì)和50多名演員合作。在這個(gè)節(jié)目中，人形機(jī)器人不再是配角，而是成為最矚目的主角。
這是世界性綜合運(yùn)動(dòng)會(huì)首次在閉幕式采用大型人形機(jī)器人，5臺(tái)人形機(jī)器人完成這一系列復(fù)雜動(dòng)作的背后，有哪些技術(shù)難題，又隱藏著哪些核心技術(shù)？
在大運(yùn)會(huì)閉幕式的舞臺(tái)上，優(yōu)必選4臺(tái)熊貓機(jī)器人優(yōu)悠和1臺(tái)大型人形機(jī)器人Walker X需要在非常復(fù)雜的環(huán)境中與多名演員進(jìn)行互動(dòng)，并自主控制自拍桿、平衡車等設(shè)備，全面呈現(xiàn)了豐富的人機(jī)交互技術(shù)、高難度的平衡控制技術(shù)、穩(wěn)定的步態(tài)控制技術(shù)、復(fù)雜的路徑規(guī)劃技術(shù)、多傳感器融合的定位技術(shù)等多項(xiàng)人形機(jī)器人核心技術(shù)。
這次優(yōu)必選為大運(yùn)會(huì)項(xiàng)目專門研發(fā)了機(jī)器人平衡車，實(shí)現(xiàn)了人形機(jī)器人控制平衡車。
人形機(jī)器人騎平衡車，主要分四步：感知、規(guī)劃、控制和執(zhí)行（動(dòng)作展示）。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的流程，實(shí)際非常復(fù)雜。大運(yùn)會(huì)閉幕式的開(kāi)放式舞臺(tái)，更加劇了這個(gè)流程的復(fù)雜度。
人在騎平衡車時(shí)，首先要通過(guò)眼睛等感知器官獲知自己所處的位置和周邊的環(huán)境情況，例如自己應(yīng)該按著哪一條路線前進(jìn)。這些信息會(huì)經(jīng)由大腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行處理，進(jìn)而下發(fā)動(dòng)作指令至某個(gè)活動(dòng)執(zhí)行單元，例如手、腳等，完成具體的動(dòng)作指令。與此同時(shí)，人的身體會(huì)基于各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整力度，比如讓自己的重心稍稍前傾，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。
與人類似，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，第一步便是利用攝像頭、激光雷達(dá)等傳感器識(shí)別周圍環(huán)境，以及IMU（慣性測(cè)量單元，用于加速度、角速度和姿態(tài)等信息）、輪式里程計(jì)（測(cè)量平衡車的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的距離，來(lái)計(jì)算出機(jī)器人的位移），再加上UWB（超寬帶）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位，讓機(jī)器人知道“自己在哪兒”，從而為其在舞臺(tái)等復(fù)雜環(huán)境實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景、遠(yuǎn)距離的精確行走提供導(dǎo)航信息。
這些多傳感器的融合，本質(zhì)上是為了克服單一傳感器的局限，提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的定位精度和魯棒性，再配合相應(yīng)的路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)平衡車在舞臺(tái)上精確穩(wěn)定的導(dǎo)航和定位。
好比人的多個(gè)感官系統(tǒng)，如果只憑借觸覺(jué)，難免造成盲人摸象，很難形成對(duì)事物的整體感知。
要將這些不同傳感器采集到的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)融合在一起并不容易，尤其還要實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)計(jì)算與響應(yīng)，除了要配備強(qiáng)大算力的芯片以外，對(duì)于多數(shù)據(jù)融合的算法要求也極高。而這些復(fù)雜信息數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，只完成了第一步。
接著，當(dāng)機(jī)器人感知到自身位置之后，便要開(kāi)始規(guī)劃上下場(chǎng)路徑。
在舞臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)，每臺(tái)熊貓機(jī)器人優(yōu)悠要行走20米，并在1分鐘之內(nèi)完成上下場(chǎng)，以及切換隊(duì)形。這個(gè)過(guò)程中比較大的難點(diǎn)在于，隊(duì)形很難保持一致，并且要求機(jī)器人在執(zhí)行動(dòng)作時(shí)不能互相干擾。
為了克服這個(gè)難點(diǎn)，優(yōu)必選開(kāi)發(fā)出了基于時(shí)序的路徑規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在有限空間內(nèi)讓多臺(tái)機(jī)器人安全、互不干擾地行走。同時(shí)，優(yōu)必選將離線規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)里程計(jì)與在線反饋定位信息的差值實(shí)時(shí)引入步態(tài)調(diào)整中，通過(guò)修正行走步長(zhǎng)和轉(zhuǎn)向步長(zhǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上下場(chǎng)軌跡的精確控制，避免機(jī)器人出現(xiàn)“拖拉拽”帶來(lái)的碰撞問(wèn)題。
感知、規(guī)劃之后，便是控制與執(zhí)行?？刂剖菣C(jī)器人在理解語(yǔ)義任務(wù)之后形成的動(dòng)作，而執(zhí)行則是具體動(dòng)作帶來(lái)的結(jié)果展示。比如，機(jī)器人跳舞，實(shí)際上是機(jī)器人控制各個(gè)執(zhí)行單元的效果展示。
由于四臺(tái)熊貓機(jī)器人表演的舞臺(tái)區(qū)域由升降臺(tái)和一塊塊木板拼接而成，表演時(shí)，舞臺(tái)會(huì)升高1.5m，而且舞臺(tái)間隙存在高低落差，這對(duì)于機(jī)器人步態(tài)的穩(wěn)定性和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性要求極高。讓機(jī)器人走得穩(wěn)，也一直是困擾人形機(jī)器人的最大難點(diǎn)之一。
優(yōu)必選大型機(jī)器人采用了六維力、IMU、位置、視覺(jué)等多種傳感器數(shù)據(jù)，估計(jì)機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境信息，并針對(duì)復(fù)雜地形研發(fā)特定的行走算法，同時(shí)通過(guò)平衡控制器實(shí)時(shí)在線調(diào)整，來(lái)解決機(jī)器人在不平整地形下行走的穩(wěn)定性問(wèn)題。
閉幕式現(xiàn)場(chǎng)，機(jī)器人除了與人斗舞，還能與小朋友互動(dòng)，接過(guò)風(fēng)車、拍照留念等等，為此優(yōu)必選專門設(shè)計(jì)了擬人化程度更高的機(jī)器人動(dòng)作，讓人形機(jī)器人的頭部、腰部、手臂動(dòng)作顯得自然流暢。
此外，Walker X在平衡車上進(jìn)行表演，要求人形機(jī)器人進(jìn)行快速運(yùn)動(dòng)以跟上音樂(lè)節(jié)拍。優(yōu)必選通過(guò)持續(xù)的算法優(yōu)化來(lái)尋找最優(yōu)模型，通過(guò)關(guān)節(jié)空間內(nèi)的最優(yōu)路徑規(guī)劃，將人形機(jī)器人舞臺(tái)動(dòng)作呈現(xiàn)的速度提升了一倍之多。
作為機(jī)器人的最終形態(tài)，一個(gè)能說(shuō)會(huì)道、像人一樣走路工作的人形機(jī)器人，是人們對(duì)機(jī)器人的終極理想。
優(yōu)必選CTO熊友軍此前在2023世界人工智能大會(huì)演講中提到，“人形機(jī)器人的iPhone時(shí)刻已經(jīng)開(kāi)啟，人形機(jī)器人將在人類科技史上留下濃墨重彩的一筆?！?/p>
熊友軍認(rèn)為，從工業(yè)革命以來(lái)，每一個(gè)時(shí)代都有它的標(biāo)志性產(chǎn)品，第四次工業(yè)革命是智能化的改革，其標(biāo)志性產(chǎn)品就是人形機(jī)器人。人形機(jī)器人是一個(gè)多任務(wù)、通用型的機(jī)器人平臺(tái)，更能適應(yīng)人類的生存環(huán)境，更易使用人類的生產(chǎn)工具，更易與人進(jìn)行情感交流，人形機(jī)器人將賦能各行各業(yè)，最終走入家庭。生成式人工智能與人形機(jī)器人技術(shù)融合后，有望大大提高人形機(jī)器人產(chǎn)品迭代速度和提升交互體驗(yàn)，使人形機(jī)器人變得更加智能，從而加速走入家庭的進(jìn)程。
業(yè)內(nèi)一般將人形機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的難點(diǎn)歸為兩方面，一是算法，二是機(jī)械結(jié)構(gòu)。
前文曾提到，人形機(jī)器人采用多類傳感器（視覺(jué)、觸覺(jué)、力傳感、編碼器等等），這些傳感器感知數(shù)據(jù)的融合，以及規(guī)劃控制算法，需要不斷地測(cè)試模型、調(diào)優(yōu)，是一個(gè)巨量工程。
在算法做到精準(zhǔn)極致的前提下，人形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)亦相當(dāng)重要，其涉及的零部件，如舵機(jī)、伺服器、線束等數(shù)量繁雜，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊密性、靈活性要求很高。
例如，人形機(jī)器人的“腿”，哪怕只是一條線束發(fā)生纏繞，機(jī)器人就很可能直接喪失行走能力。
即便算法和機(jī)械結(jié)構(gòu)的問(wèn)題解決了，還有一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題：如何保證人形機(jī)器人的魯棒性，即穩(wěn)定性。
機(jī)器人的魯棒性，可以簡(jiǎn)單類比為芯片的良率，一款芯片能不能成熟的商用，在于其良率的高低，良率越高，進(jìn)入市場(chǎng)的概率越大，反之良率低的芯片，量產(chǎn)規(guī)模小且很難推向市場(chǎng)。機(jī)器人的魯棒性越強(qiáng)，意味著其執(zhí)行任務(wù)的能力越穩(wěn)定，就越具備落地的可能，反之亦然。
不過(guò)，這些難題并沒(méi)有影響人們對(duì)人形機(jī)器人的關(guān)注與熱情。作為中國(guó)人形機(jī)器人的先行者，優(yōu)必選大型人形機(jī)器人Walker 已經(jīng)更新到第四代，并在央視春晚、深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)成立40周年晚會(huì)、迪拜世博會(huì)中國(guó)館等多個(gè)重要場(chǎng)景，展示中國(guó)人形機(jī)器人技術(shù)實(shí)力。
近兩年，特斯拉、小米、三星等國(guó)際巨頭先后宣布入局人形機(jī)器人，特斯拉CEO馬斯克甚至表示，未來(lái)的人形機(jī)器人需求有望達(dá)到100億臺(tái)。對(duì)于人形機(jī)器人市場(chǎng)的樂(lè)觀情緒，從中可見(jiàn)一斑。
現(xiàn)階段的人形機(jī)器人在技術(shù)上還有很大的提升空間，但伴隨著技術(shù)的「涌現(xiàn)」，人形機(jī)器人或許將在不久之后迎來(lái)一次技術(shù)躍遷。
畢竟，在ChatGPT未問(wèn)世之前，人們也將AI戲謔為人工智障。但如今，通用型人工智能的希望已可以窺見(jiàn)曙光。AI大模型這類底層技術(shù)的變革，也將給人工智能行業(yè)，包括機(jī)器人在內(nèi)的諸多細(xì)分賽道，帶來(lái)強(qiáng)大的推動(dòng)力。
具體到人形機(jī)器人，以O(shè)penAI為代表的大模型、Meta的SAM模型等，讓機(jī)器人在視覺(jué)識(shí)別物體、理解場(chǎng)景語(yǔ)義等方面更具智能，尤其在人機(jī)交互領(lǐng)域，其智能化程度將得到大幅提升。
技術(shù)反哺到產(chǎn)業(yè)，當(dāng)人形機(jī)器人愈發(fā)智能，具備落地到生活場(chǎng)景的可能性時(shí)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈也將隨之變化。市場(chǎng)需求從下往上反饋至廠商，倒逼供應(yīng)鏈升級(jí)完善，以及相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化提升；相關(guān)零部件的成本也將下探，從而自上而下推動(dòng)人形機(jī)器人更廣泛的商業(yè)化落地。
在落地應(yīng)用方面，優(yōu)必選人形機(jī)器人聚焦于教育、智能制造、商用服務(wù)等領(lǐng)域，先后在沙特NEOM新未來(lái)城、中國(guó)科學(xué)技術(shù)館、AI教育培訓(xùn)基地等場(chǎng)景應(yīng)用落地，在智慧化的工廠，優(yōu)必選正在嘗試用人形機(jī)器人進(jìn)行智能分揀、老化測(cè)試等工作。
要真正讓人形機(jī)器人走入家庭，仍有一些技術(shù)難點(diǎn)需要克服。在熊友軍看來(lái)，人形機(jī)器人的量產(chǎn)將會(huì)分三步走：第一步是在結(jié)構(gòu)化、可控環(huán)境中的小批量試用和進(jìn)化，完成一些簡(jiǎn)單任務(wù)；第二步是在非結(jié)構(gòu)化、可控環(huán)境中訓(xùn)練和進(jìn)化，進(jìn)一步提升運(yùn)動(dòng)、感知和決策能力；待與之適配的人工智能技術(shù)逐步成熟、制造工藝趨于穩(wěn)定、成本也大幅降低后，人形機(jī)器人大規(guī)模量產(chǎn)就水到渠成了。
大運(yùn)會(huì)閉幕現(xiàn)場(chǎng)，Walker X和熊貓機(jī)器人優(yōu)悠表演結(jié)束之后，迎來(lái)了大運(yùn)會(huì)會(huì)旗的交接儀式。萬(wàn)眾矚目下，大運(yùn)會(huì)被主辦方交接給號(hào)稱“世界制造業(yè)標(biāo)桿”的德國(guó)，下一屆東道主德國(guó)開(kāi)始show time。這意味著由中國(guó)制造的人形機(jī)器人開(kāi)啟“德國(guó)時(shí)間”。
作為老牌的工業(yè)大國(guó)，德國(guó)的制造業(yè)水平首屈一指，中國(guó)則是新興的工業(yè)大國(guó)，其供應(yīng)鏈和制造業(yè)水平也不遑多讓。
人形機(jī)器人是現(xiàn)代工業(yè)制造的一顆明珠，其代表著制造業(yè)、先進(jìn)科技的技術(shù)水平。在這個(gè)全世界目光聚焦的時(shí)刻，中國(guó)原創(chuàng)人形機(jī)器人為“智慧大運(yùn)”劃下完美句號(hào)，也向世界展示了中國(guó)人形機(jī)器人的發(fā)展水平、技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)業(yè)能力。雷峰網(wǎng)(公眾號(hào)：雷峰網(wǎng))雷峰網(wǎng)
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