关节换新记 ——看国产机器人如何突破类人运动关键技术

       静若处子，动若脱兔。六台人形机器人站成一列，伴随着优雅的音乐节奏，十二只胳膊有模有样地舞起“千手观音”——在不久前举办的世界人工智能大会上，这一场景惊艳了中外观众。

　　机械刚性、动作生硬，类似于《变形金刚》中的“擎天柱”——提起人形机器人，这可能是大多数人的第一印象。如今，这种印象正随着柔性关节的应用而改变。

　　和人一样，决定机器人灵活度的是关节。由达闼机器人股份有限公司（以下简称达闼公司）自主研制成功的柔性关节，让机器人的动作可以像人一样收放自如。目前，世界上公开报道拥有这一技术的公司不超过四家。

　　智能柔性是关键

　　什么样的技术，能解决机器人“刚性有余、柔性不足”的问题？机器人实现类人运动的关键是什么？

　　这些都是达闼公司技术团队苦苦探索求解的核心技术难点。

　　在达闼公司的实验室里，科技日报记者见到卸去人形外壳的机器人“骨架”——颈、肩、肘、腕、手、腰、膝、全向轮底盘等处，遍布34个智能柔性关节。

　　让机器人像人，首先手要像。画家最难描摹的部位是手，人工智能科学家最难模拟的也是手。因为手是关节最集中的部位，它的每一个动作，都是一次复杂而精准的控制过程，由多个关节协同支撑完成。

　　尽管机器人研发历史已长达半个多世纪，但哪怕一个最简单的人类动作——端起一杯水递给人然后松开，机器人依然显得缓慢而笨拙，无法完全效仿。

　　“灵活的关节、精巧的控制，是机器人实现类人运动的关键。”2017年，达闼公司创始人黄晓庆带领团队开始研发服务机器人时发现，核心技术难点就是运动关节，“人体有206块骨头，已命名的关节就有78个，关节决定了机器人的灵活性，这些关节应是柔性的，它不同于工业机械臂的刚性。”

　　要让机器人实现灵活的柔性运动，需要感知、决策、执行等能力的综合提升，对机器人搭载的机械硬件、电子硬件、嵌入式软件、上层软件、智能算法等都有更具体的要求。

　　“柔性关节是服务机器人的核心零部件，它必须是智能的，即每一个关节都自带计算、通信和传感。”黄晓庆告诉记者。

　　彼时，国际上只有少数几家机构掌握智能柔性关节技术，如波士顿动力和NASA，但技术不公开，没有经验可循。

　　颠覆式创新设计

　　研发过程中，观察人体运动成为必修课。

　　“上班途中的行人，办公区行走的同事，自己的胳膊与肩膀，所有人的一举一动，都成了研发团队紧盯的对象。”达闼公司机器人SCA事业部高级技术总监罗程对记者笑言，“大家当时都‘魔怔’了。”

　　通过观察，他们发现，腿部落地时，膝关节、踝关节等人体关节柔韧性（关节的活动范围）并非一成不变。为模拟生物关节这种特性，研发人员考虑在串联弹性驱动关节的基础上，增加可变刚度功能。

　　可变刚度的串联弹性驱动关节是一个颠覆式创新思路，不仅能实现柔性关节的功能，还能根据机器人的运动状态，在不改变关节劲度系数的同时，实时调整关节的刚性。

　　想法有了，如何实现？

　　“最开始我们按照传统方法设计，但设计出来的架构总让人无法满意。”罗程说，研发过程中，黄晓庆常聊起研制智能手机的技术细节，比如芯片的集成、屏幕的升级等技术迭代，“我们由此想到，关节的核心部件是不是也可以这样迭代优化，让其越来越轻薄，透明度也越来越好。”

　　机器人研发，模块都是现成的，最关键在于底层架构如何设计。“一瞬间有种柳暗花明的感觉。”罗程兴奋地说，“从敲定这个思路到做出第一台样机，只用了三四个月。”

　　参照智能手机的设计理念，他们设计的柔性关节高度集成了传感器和嵌入算法的芯片。在多个关节的协同下，机器人开始实现多样化、精准化的移动和工作。

　　2018年，达闼公司对外宣布研发出“可与波士顿动力比肩的服务机器人零部件”——智能柔性关节（SCA），从机械结构、核心算法、加工工艺等多个方面都实现了技术突破。SCA将原本独立的元器件集成在一起并缩小了体积，就像将很多芯片集成到一块电路板上一样。

　　2019年，搭载了SCA的服务机器人亮相世界移动通信大会。它已经可以自如地握住瓶子递给用户，帮观众端咖啡，甚至还能“穿针引线”了。

　　核心部件自己造

　　让服务机器人像智能手机一样普及，做“人类的家庭保姆”，是达闼公司的创业目标。核心零部件研制出来了，但产业化又遇到大难题：国内外都没有现成的、规模化的产业配套。比如，找不到高强度、高精度、轻质的电机。

　　SCA的集成，越小越困难，不仅需要更强的结构设计能力，还需要制作工艺更优的各种器件，让体积更轻薄的同时不牺牲功率。

　　“求人不如求己。”黄晓庆坚信，既然设计理念类似智能手机，那生产也可以，“利用我国手机制造业的优势，肯定可以培育出SCA的产业配套。”

　　“我们建立了一套完整的架构，研发出更适应服务机器人场景和要求的核心电机。”罗程介绍，采用高性能非晶磁性材料，能提供更加稳定的扭矩输出和更高的效率，同时使电机体积进一步小型化、轻量化，最小可以做到直径35毫米粗细。

　　2020年3月31日，达闼公司智能机器人产业基地在上海马桥人工智能创新试验区打下第一根桩。“现在已有超过100家机器人公司、科研院所等单位，使用SCA研制出形态不一、功能不同的机器人。”达闼公司联合创始人汪兵介绍，“未来基地年生产机器人关节可实现1000万台套。”

　　SCA的国产化制造，正在打破机器人“四大家族”（瑞士ABB、德国库卡、日本发那科、安川电机）的长期垄断。2022年世界人工智能大会上，达闼公司发布的新一代产品——搭载60个关节的双足机器人，已经能相当自然流畅地行走和动手干活了。

　　如今，达闼公司生产线上，一个个机器人几乎接管了人类全部工作——它们不是流水线某一环节的专用机器，而是在多种工位上忙碌的人形机器。“机器生产机器”的产业变革，正在浮出地平线。

　　《中共中央 国务院关于促进民营经济发展壮大的意见》近日发布，这令达闼公司备受鼓舞。“意见明确指出，鼓励民营企业根据国家战略需要和行业发展趋势，持续加大研发投入，开展关键核心技术攻关，”黄晓庆说，“站在新的起点上，包括达闼公司在内的民营企业要胸怀‘国之大者’，在产业竞技场上向‘控球’者转变！”◎本报记者 杨 雪  刘 艳