采用智能柔性執(zhí)行器SCA搭建而成的智能柔性服務(wù)機(jī)器人，全身共34個(gè)自由度，即34個(gè)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(diǎn)。受訪者供圖
機(jī)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(jī)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(jī)器人正來到我們身邊，人機(jī)共存的智能時(shí)代加速來臨。
和人一樣，決定機(jī)器人靈活度的是關(guān)節(jié)。此次機(jī)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(duì)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(jī)器人，尤其是服務(wù)機(jī)器人研發(fā)生產(chǎn)的難點(diǎn)。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(jī)器人發(fā)展
智能柔性執(zhí)行器，即柔性關(guān)節(jié)對機(jī)器人的重要性不言而喻。機(jī)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(jī)器人關(guān)節(jié)的自由度，通常我們所說的多少個(gè)自由度就是多少個(gè)關(guān)節(jié)，比如工廠里機(jī)四軸機(jī)械臂，其中的一軸就是一個(gè)關(guān)節(jié)。”INNFOS聯(lián)合創(chuàng)始人朱梓鳴解釋道，對一臺機(jī)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(jī)器人與工業(yè)機(jī)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(jī)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(yùn)動就可以，不用有很多的變化。而服務(wù)機(jī)器人則不同，行走、運(yùn)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(jī)器人的關(guān)節(jié)大多是剛性執(zhí)行器，而服務(wù)機(jī)器人則需要智能柔性執(zhí)行器”。
此前最知名的人形機(jī)器人來自波士頓動力。早在2017年，該公司機(jī)器人的一段跳躍、旋轉(zhuǎn)、后空翻的視頻驚艷了整個(gè)機(jī)器人圈。大家紛紛感嘆，這個(gè)機(jī)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(jī)器人大多采用體積大、剛性強(qiáng)的傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)，而服務(wù)機(jī)器人由于身形限制，無法使用傳統(tǒng)伺服，只能勉強(qiáng)裝備更多用于航模、玩具等開發(fā)的舵機(jī)。
“舵機(jī)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(jī)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(jī)器人發(fā)展的一大障礙。
“所以我們從頭做起，花了7年時(shí)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(jī)大小，并兼顧了兩者優(yōu)點(diǎn)。“將工業(yè)伺服系統(tǒng)應(yīng)用于服務(wù)機(jī)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(jī)器人的體積。”朱梓鳴說。
工業(yè)伺服系統(tǒng)包括電機(jī)、驅(qū)動器、減速器、編碼器等核心元件，如何將這些原本獨(dú)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(jī)、驅(qū)動器等。
“首先，我們選擇了超薄外轉(zhuǎn)子電機(jī)，這種電機(jī)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(jī)后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)又根據(jù)電機(jī)特性研發(fā)出高度匹配的驅(qū)動器、編碼器等器件。
舉個(gè)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(jī)，但多數(shù)情況下會有冗余。“我們?yōu)檫x定的電機(jī)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(gè)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(shí)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(jī)器人領(lǐng)域電機(jī)、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(jī)等機(jī)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(jià)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(jī)，這個(gè)量在別人那屬于特別小的，所以不可能有議價(jià)空間，而且起碼要等幾個(gè)月。”朱梓鳴說，這種情況對于國內(nèi)機(jī)器人廠商來說是常態(tài)。
“由于我們是從電機(jī)、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?？臁?rdquo;朱梓鳴表示。
降低硬件成本推動整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展
以SCA為基礎(chǔ)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)適用于不同機(jī)器人的柔性關(guān)節(jié)，其中包括專為四足機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人對扭矩的需求，INNFOS研發(fā)團(tuán)隊(duì)將減速器內(nèi)嵌其中，在增加扭矩的同時(shí)，保證了緊湊的機(jī)械機(jī)構(gòu)。同時(shí)，減速器的嵌入，讓該執(zhí)行器在整機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)力控。與此同時(shí)，我們運(yùn)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(jī)，便可以做到在低成本、高產(chǎn)量的情況下實(shí)現(xiàn)力控。”朱梓鳴介紹道。
柔性控制是機(jī)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(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的柔性技術(shù)，做到真正安全實(shí)用的人機(jī)交互。
該團(tuán)隊(duì)發(fā)布的SCA復(fù)合材料版則將柔性關(guān)節(jié)的價(jià)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(shí)，執(zhí)行器內(nèi)部內(nèi)置一顆高性能多核浮點(diǎn)運(yùn)算處理器，專門用來處理電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的高精度控制。
幾百元的柔性關(guān)節(jié)對于服務(wù)機(jī)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(gè)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)
