日前 ,宇樹科技公開了新品預熱海報(見下圖),這款即將發布的人形機器人以“芭蕾舞者 ”形象示人——寬肩窄腰,體形纖長 ,正踮著腳尖似乎要翩翩起舞 。
此番首次亮相的“31個關節自由度”,是宇樹科技人形機器人此前從未達到過的。
機器人有時給人以“笨重”之感,而此次海報上 ,Agile(敏捷的)和Elegant(優雅的)兩個簡潔的單詞引人矚目。
身高180厘米 、兼具敏捷和優雅的人形機器人,會是怎樣的?解放日報記者專訪了機器人專家、上海大學國家級工程訓練示范中心主任郭帥教授 。
關節自由度是否越多越好
在談論人形機器人的關節自由度時,不妨先來看看人體有多少關節自由度。
在人體解剖學和生物力學中 ,自由度指的是一個關節在空間中能夠獨立運動的方向數量。簡單來說,就是關節能朝幾個方向“自由 ”地活動 。因為存在個體差異,計算人體總自由度數非常復雜,且不同學者的計算方式略有不同。
最常被提及的答案是:一個沒有手指和腳趾細節的人體模型 ,其自由度總數在200到300之間。
一般而言,自由度高的機器人本體有更加靈活的動作表現 。一個仿人機器人需要分配足夠的自由度來模仿人類的動作,比如行走、抓取等。
那么 ,人形機器人自由度是不是越多越好?
“并非如此。”郭帥說。首先要看自由度的設計與控制,這決定了機器人的靈活性和能力 。如果無法精確模仿人的主要動作,再多自由度也是冗余。其次 ,要看成本與復雜度。更多自由度,也就意味著更多的驅動器(比如電機) 、更復雜的結構和更困難的控制算法 。
因此,人形機器人自由度需要在功能性和復雜性之間取得平衡。這也是為何人形機器人當前主流自由度一般為30個左右(不算靈巧手自由度)。比如 ,小鵬的Iron:32個;智元的靈犀X2探索版:31個;逐際動力的LimX Oli:31個;星動紀元的星動L7:31個;特斯拉的擎天柱:30個;優必選的Walker S1:29個……
此前,宇樹科技在春晚扭秧歌的人形機器人有19個自由度,上個月發布的第三款人形機器人R1配備26個自由度 。
對于即將發布的“芭蕾舞者”31個關節自由度分布情況 ,郭帥預測“6×2+3+7×2+2 ”分別對應腿、腰、臂 、頸,主要增加了手臂和腰部的自由度數量,將大大提高上肢的運動能力。
值得一提的是,頸部2個自由度和腰部3個自由度的設計 ,使得機器人能夠做出更加自然的頭部和軀干運動。這在與人類互動、情感陪伴等場景尤為重要,機器人能更流暢地與人類進行眼神交流和體態互動 。
“31個關節自由度將給宇樹科技帶來更高的硬件平臺,加上其原先的軟件和算法能力 ,我們可以期待新一代機器人將擴展出新的功能。”郭帥說。
“芭蕾舞者”是否真的能像專業舞者一樣跳芭蕾?郭帥認為可能性不大,因為“腳的自由度沒有那么高 ” 。
未來會朝著更仿人的方向進化
“芭蕾舞者”身高180厘米,與宇樹科技之前發布的H1都是大高個 ,但從海報上的剪影來看,“芭蕾舞者”在形態擬人化上有了不小的突破,線條更纖細、更流暢。
在郭帥看來 ,“31個關節自由度+180厘米的身高”很好地實現了仿生學設計理念,再加上具有“敏捷 、優雅 ”的身姿,這款人形機器人與相同身高的H1“工業場景應用”不同 ,可能會融入服務、醫療、陪伴等復雜多變的社會場景,使機器人逐步走向“通用化”。
就像蘋果手機每年推出新版本,硬件系統公司的研發同樣需要小步快跑,而技術迭代往往朝著降本和提效兩個方向。宇樹科技會翻跟斗的R1一大亮點是降本 ,售價3.99萬元起,而宇樹科技也因多次擊穿行業底價,在機器人行業被稱為“價格屠夫 ”;即將發布的“芭蕾舞者” ,顯然主要是在提效上下工夫 。
“這種密集迭代反映宇樹科技的研發已進入一個非常好的良性循環,未來人形機器人的設計會朝著更仿人的方向進化。”郭帥認為。
第一個方向是自由度結構會發生變化 。比如肩關節要實現3個自由度,現有的技術只能裝置3個關節 ,未來一定是3個自由度集納在一個關節里,這時它的外形會更小巧,運動能力也會更接近人類。
第二個方向是給機器人減重。對于機器人而言 ,能效比是最重要的指標 。能效比越高,意味著機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搭載的都是三元鋰電池,為何前者里程可以跑得更遠?主要是因為電控效率更高且車身輕了522千克。
一個臃腫的機器人難以做到“敏捷優雅 ” 。郭帥猜測 ,“芭蕾舞者”具有更高能效比的本體結構,有些部件可能改用更輕的復合材料替代傳統的生鐵或鋁,從而把自身重量降下來。此外,他估計這款機器人在減重、瘦身方面做了大量人性化設計。
展望未來 ,機器人產業鏈會有什么新機遇?
“當大家都統一用30個左右的關節自由度時,關節就會標準化,這對機器人產業來說是一個利好消息 。”郭帥說 ,因為現在每個關節用的電機不一樣,成本自然也高。此外,隨著人形機器人的提效 ,將逐步開始真正融入人類的生活,開發出更多的場景,這對產業而言意味著一大波新的機會。
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