日前 ,宇树科技公开了新品预热海报(见下图),这款即将发布的人形机器人以“芭蕾舞者 ”形象示人——宽肩窄腰,体形纤长 ,正踮着脚尖似乎要翩翩起舞 。
此番首次亮相的“31个关节自由度”,是宇树科技人形机器人此前从未达到过的。
机器人有时给人以“笨重”之感,而此次海报上 ,Agile(敏捷的)和Elegant(优雅的)两个简洁的单词引人瞩目。
身高180厘米 、兼具敏捷和优雅的人形机器人,会是怎样的?解放日报记者专访了机器人专家、上海大学国家级工程训练示范中心主任郭帅教授 。
关节自由度是否越多越好
在谈论人形机器人的关节自由度时,不妨先来看看人体有多少关节自由度。
在人体解剖学和生物力学中 ,自由度指的是一个关节在空间中能够独立运动的方向数量。简单来说,就是关节能朝几个方向“自由 ”地活动 。因为存在个体差异,计算人体总自由度数非常复杂,且不同学者的计算方式略有不同。
最常被提及的答案是:一个没有手指和脚趾细节的人体模型 ,其自由度总数在200到300之间。
一般而言,自由度高的机器人本体有更加灵活的动作表现 。一个仿人机器人需要分配足够的自由度来模仿人类的动作,比如行走、抓取等。
那么 ,人形机器人自由度是不是越多越好?
“并非如此。”郭帅说。首先要看自由度的设计与控制,这决定了机器人的灵活性和能力 。如果无法精确模仿人的主要动作,再多自由度也是冗余。其次 ,要看成本与复杂度。更多自由度,也就意味着更多的驱动器(比如电机) 、更复杂的结构和更困难的控制算法 。
因此,人形机器人自由度需要在功能性和复杂性之间取得平衡。这也是为何人形机器人当前主流自由度一般为30个左右(不算灵巧手自由度)。比如 ,小鹏的Iron:32个;智元的灵犀X2探索版:31个;逐际动力的LimX Oli:31个;星动纪元的星动L7:31个;特斯拉的擎天柱:30个;优必选的Walker S1:29个……
此前,宇树科技在春晚扭秧歌的人形机器人有19个自由度,上个月发布的第三款人形机器人R1配备26个自由度 。
对于即将发布的“芭蕾舞者”31个关节自由度分布情况 ,郭帅预测“6×2+3+7×2+2 ”分别对应腿、腰、臂 、颈,主要增加了手臂和腰部的自由度数量,将大大提高上肢的运动能力。
值得一提的是,颈部2个自由度和腰部3个自由度的设计 ,使得机器人能够做出更加自然的头部和躯干运动。这在与人类互动、情感陪伴等场景尤为重要,机器人能更流畅地与人类进行眼神交流和体态互动 。
“31个关节自由度将给宇树科技带来更高的硬件平台,加上其原先的软件和算法能力 ,我们可以期待新一代机器人将扩展出新的功能。”郭帅说。
“芭蕾舞者”是否真的能像专业舞者一样跳芭蕾?郭帅认为可能性不大,因为“脚的自由度没有那么高 ” 。
未来会朝着更仿人的方向进化
“芭蕾舞者”身高180厘米,与宇树科技之前发布的H1都是大高个 ,但从海报上的剪影来看,“芭蕾舞者”在形态拟人化上有了不小的突破,线条更纤细、更流畅。
在郭帅看来 ,“31个关节自由度+180厘米的身高”很好地实现了仿生学设计理念,再加上具有“敏捷 、优雅 ”的身姿,这款人形机器人与相同身高的H1“工业场景应用”不同 ,可能会融入服务、医疗、陪伴等复杂多变的社会场景,使机器人逐步走向“通用化”。
就像苹果手机每年推出新版本,硬件系统公司的研发同样需要小步快跑,而技术迭代往往朝着降本和提效两个方向。宇树科技会翻跟斗的R1一大亮点是降本 ,售价3.99万元起,而宇树科技也因多次击穿行业底价,在机器人行业被称为“价格屠夫 ”;即将发布的“芭蕾舞者” ,显然主要是在提效上下工夫 。
“这种密集迭代反映宇树科技的研发已进入一个非常好的良性循环,未来人形机器人的设计会朝着更仿人的方向进化。”郭帅认为。
第一个方向是自由度结构会发生变化 。比如肩关节要实现3个自由度,现有的技术只能装置3个关节 ,未来一定是3个自由度集纳在一个关节里,这时它的外形会更小巧,运动能力也会更接近人类。
第二个方向是给机器人减重。对于机器人而言 ,能效比是最重要的指标 。能效比越高,意味着机器人用更少的能量就能完成更多工作。正如特斯拉Model YL和理想i8搭载的都是三元锂电池,为何前者里程可以跑得更远?主要是因为电控效率更高且车身轻了522千克。
一个臃肿的机器人难以做到“敏捷优雅 ” 。郭帅猜测 ,“芭蕾舞者”具有更高能效比的本体结构,有些部件可能改用更轻的复合材料替代传统的生铁或铝,从而把自身重量降下来。此外,他估计这款机器人在减重、瘦身方面做了大量人性化设计。
展望未来 ,机器人产业链会有什么新机遇?
“当大家都统一用30个左右的关节自由度时,关节就会标准化,这对机器人产业来说是一个利好消息 。”郭帅说 ,因为现在每个关节用的电机不一样,成本自然也高。此外,随着人形机器人的提效 ,将逐步开始真正融入人类的生活,开发出更多的场景,这对产业而言意味着一大波新的机会。
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