采用智能柔性執(zhí)行器SCA搭建而成的智能柔性服務(wù)機器人，全身共34個自由度，即34個關(guān)節(jié)。受訪者供圖
智能柔性執(zhí)行器SCA，其具有高度集成、高精度、總線控制、柔性功能、低成本等特點。受訪者供圖
機器人會端茶倒水、導(dǎo)航引路、跳舞、答疑解惑……近日召開的2019世界機器人大會，讓觀眾再次驚嘆，越來越多更靈活、更智能的服務(wù)機器人正來到我們身邊，人機共存的智能時代加速來臨。
和人一樣，決定機器人靈活度的是關(guān)節(jié)。此次機器人大會上，前沿驅(qū)動(北京)技術(shù)有限公司的INNFOS研發(fā)團(tuán)隊帶來的歷經(jīng)數(shù)年自主研發(fā)的全系列智能柔性執(zhí)行器SCA(Smart Compliant Actuator)，以及基于該技術(shù)的兩款產(chǎn)品吸引了極大關(guān)注。
智能柔性執(zhí)行器一直是機器人，尤其是服務(wù)機器人研發(fā)生產(chǎn)的難點。SCA是如何攻克這一難題的，該技術(shù)究竟有何過人之處?
柔性關(guān)節(jié)制約我國服務(wù)機器人發(fā)展
智能柔性執(zhí)行器，即柔性關(guān)節(jié)對機器人的重要性不言而喻。機器人的所有動作都離不開關(guān)節(jié)。
“業(yè)界根據(jù)人的肌肉和骨骼模擬出機器人關(guān)節(jié)的自由度，通常我們所說的多少個自由度就是多少個關(guān)節(jié)，比如工廠里機四軸機械臂，其中的一軸就是一個關(guān)節(jié)。”INNFOS聯(lián)合創(chuàng)始人朱梓鳴解釋道，對一臺機器人來說，關(guān)節(jié)成本占硬件總成本的70%以上。
而且服務(wù)機器人與工業(yè)機器人對關(guān)節(jié)的要求又大為不同。
朱梓鳴介紹道，工業(yè)機器人要求長久穩(wěn)定性，對靈活性和自適應(yīng)性要求不高，“它們只需要按照規(guī)劃好的路徑運動就可以，不用有很多的變化。而服務(wù)機器人則不同，行走、運動等功能自然對關(guān)節(jié)的靈活性要求極高。所以工業(yè)機器人的關(guān)節(jié)大多是剛性執(zhí)行器，而服務(wù)機器人則需要智能柔性執(zhí)行器”。
此前最知名的人形機器人來自波士頓動力。早在2017年，該公司機器人的一段跳躍、旋轉(zhuǎn)、后空翻的視頻驚艷了整個機器人圈。大家紛紛感嘆，這個機器人的關(guān)節(jié)也太靈活了。
但這并不意味著智能柔性關(guān)節(jié)已經(jīng)不是問題。恰恰相反，“據(jù)我們了解，目前國際上大概只有三四家掌握智能柔性關(guān)節(jié)技術(shù)，其中波士頓動力的技術(shù)不公開，MASA同樣也不公開對民用開放。”朱梓鳴說。
正因如此，截至目前，工業(yè)機器人大多采用體積大、剛性強的傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)，而服務(wù)機器人由于身形限制，無法使用傳統(tǒng)伺服，只能勉強裝備更多用于航模、玩具等開發(fā)的舵機。
“舵機故障率高、噪音大，不夠智能，這也是為什么我們老感覺目前服務(wù)機器人總有些笨笨的感覺。”朱梓鳴說，缺少高性能柔性關(guān)節(jié)成為服務(wù)機器人發(fā)展的一大障礙。
“所以我們從頭做起，花了7年時間，研發(fā)出了智能柔性執(zhí)行器SCA。”朱梓鳴說。
技術(shù)秘訣在于核心動力系統(tǒng)集成
簡單來說，出現(xiàn)在此次大會上的智能柔性執(zhí)行器SCA，將傳統(tǒng)工業(yè)伺服系統(tǒng)做到了舵機大小，并兼顧了兩者優(yōu)點。“將工業(yè)伺服系統(tǒng)應(yīng)用于服務(wù)機器人，要解決的核心難題就是如何在不犧牲性能的情況下，將其縮小到適用于服務(wù)機器人的體積。”朱梓鳴說。
工業(yè)伺服系統(tǒng)包括電機、驅(qū)動器、減速器、編碼器等核心元件，如何將這些原本獨立的元器件集成到一起，就像將很多芯片集成到一塊電路板上一樣?答案是從底層做起，研發(fā)能各自匹配發(fā)揮出最大效率的電機、驅(qū)動器等。
“首先，我們選擇了超薄外轉(zhuǎn)子電機，這種電機可以做得很扁平，以前應(yīng)用領(lǐng)域比較小，沒有大規(guī)模生產(chǎn)，但我們通過研究發(fā)現(xiàn)它的扁平化特征很適合用來做集成的執(zhí)行器。”朱梓鳴說。
在搞定合適的電機后，研發(fā)團(tuán)隊又根據(jù)電機特性研發(fā)出高度匹配的驅(qū)動器、編碼器等器件。
舉個例子，通用的傳統(tǒng)工業(yè)伺服驅(qū)動器適用于很多種電機，但多數(shù)情況下會有冗余。“我們?yōu)檫x定的電機研發(fā)了特定的驅(qū)動器，減少了冗余。”朱梓鳴說，“所以我們這幾年一直在做的一件事，就是不停調(diào)整摸索這幾個元器件的關(guān)系，琢磨怎么讓它們在盡量小的空間里互相配合，發(fā)揮更大作用。”
最終，SCA實現(xiàn)了在同樣性能下體積只有傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)的十分之一。更為重要的是，我國機器人領(lǐng)域電機、減速器等核心元部件受制于人的狀況或?qū)l(fā)生一些改變。眾所周知，精密減速器、控制器以及伺服電機等機器人核心零部件一直被國外幾家大公司壟斷，國內(nèi)企業(yè)尚不具備核心零部件自產(chǎn)能力。核心部件受制于人的后果是，不僅價格下不來，利潤微薄，且供貨周期長。
“我們前幾年曾經(jīng)向一家國際知名的廠商訂購了60多萬元的電機，這個量在別人那屬于特別小的，所以不可能有議價空間，而且起碼要等幾個月。”朱梓鳴說，這種情況對于國內(nèi)機器人廠商來說是常態(tài)。
“由于我們是從電機、驅(qū)動器等做起，所有核心技術(shù)都自己掌握，因此再也不會像以前那么被動，而且我們給國內(nèi)外客戶的供貨速度非?？?。”朱梓鳴表示。
降低硬件成本推動整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展
以SCA為基礎(chǔ)，研發(fā)團(tuán)隊正在開發(fā)適用于不同機器人的柔性關(guān)節(jié)，其中包括專為四足機器人量身定制的柔性關(guān)節(jié)，以及SCA的復(fù)合材料版等。
據(jù)業(yè)內(nèi)專家介紹，四足機器人需要完成站立、走動、彈跳、負(fù)載等動作，甚至在不同路面環(huán)境中完成相應(yīng)任務(wù)，因而其對執(zhí)行器的要求更加嚴(yán)苛。
一般來說，四足機器人要求執(zhí)行器具有扭矩密度大、功率密度大、控制系統(tǒng)高度集成、柔性控制等特性。為了滿足四足機器人對扭矩的需求，INNFOS研發(fā)團(tuán)隊將減速器內(nèi)嵌其中，在增加扭矩的同時，保證了緊湊的機械機構(gòu)。同時，減速器的嵌入，讓該執(zhí)行器在整機質(zhì)量453.1克的情況下，峰值扭矩達(dá)19.8牛頓米，也使得其扭矩密度大幅提高，更符合四足機器人對扭矩和扭矩密度的需求。“我們通過電流環(huán)，可以低成本的實現(xiàn)力控。與此同時，我們運用準(zhǔn)直驅(qū)技術(shù)，以很小的減速比配上大扭矩密度的電機，便可以做到在低成本、高產(chǎn)量的情況下實現(xiàn)力控。”朱梓鳴介紹道。
柔性控制是機器人類產(chǎn)品中必不可少的特性。研發(fā)人員在執(zhí)行器內(nèi)部增加了一系列感知元件，配合處理器來監(jiān)視內(nèi)部電流的狀態(tài)，最后在高級動力學(xué)算法的支撐下可實現(xiàn)執(zhí)行器的柔性技術(shù)，做到真正安全實用的人機交互。
該團(tuán)隊發(fā)布的SCA復(fù)合材料版則將柔性關(guān)節(jié)的價格降到千元以內(nèi)。“該技術(shù)中所有的動力系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)版一樣，我們降低成本的秘訣在于使用了散熱、精度都很好，但成本較低的復(fù)合材料。”朱梓鳴透露。
同時，執(zhí)行器內(nèi)部內(nèi)置一顆高性能多核浮點運算處理器，專門用來處理電機的運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)實時的高精度控制。
幾百元的柔性關(guān)節(jié)對于服務(wù)機器人的發(fā)展意義深遠(yuǎn)。“硬件成本的大幅降低無疑會推動整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是在教育、研發(fā)領(lǐng)域的普及。”朱梓鳴認(rèn)為。(記者 操秀英)
