国内足式机器人未来会如何发展

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原标题:为什么人形机器人还想见中国

国内足式机器人未来会如何发展

未来哪个国家的人形机器人会有更多的发展机会答案还是中国

日前,特斯拉Bot人形机器人原型擎天柱在上海全球首次亮相。

身高1.72米,体重57公斤,可以搬砖,送货,浇花马斯克表示,未来它还可以扮演猫女,并将带来文明的根本改变

马斯克和特斯拉人形机器人

TeslaBot在10月初的特斯拉2022 AI日首次亮相,在科学界和投资界引起广泛反响虽然有不同的看法,但很多正在寻找未来增长点的人选择相信

中国把机器人作为国民经济发展的下一个重点今年4月,《机器人产业发展十四五规划》发布,指出2025年,我国将成为全球机器人技术创新的策源地,高端制造业的聚集地和集成应用的新高地

在中国,包括人形机器人在内的具有更广泛意义的腿式机器人已经在春晚,北京冬奥会等各种场合进行了表演和呈现,让大众有了一定的认知腾讯,小米等大厂的进入,也给了机器狗等四足机器人进入大众的机会

中国国家足球机器人产业发展到什么阶段,在国际上处于什么地位,年轻人在这个行业能有什么机会。

我们与南科大机械与能源工程系教授,博士生导师,彭城学者安迪教授进行了对话。

安迪教授的核心观点如下:

1.在模拟通信和电子行业,机器人行业还处于BB机,商务通信等专机阶段,通用性强的人形机器人将是机器人界的iPhone如果只是一个消息,iPhone的性价比远低于BB,但当它能支持多种功能时,就会迅速重塑整个行业

2.通用机器人不一定要通用才有商业价值人形机器人进入千家万户可能需要十年左右的时间但是,工业化和商业化并不需要双足机器人实现通用能力后才能启动这个节点可能在未来两三年内实现

3.研究双足机器人是一件困难而又伟大的事情它之所以伟大,是因为它的巨大颠覆手机是个人通讯和娱乐的通用终端,智能汽车是未来结构化道路上人的通用终端,人形机器人将是面对各种非结构化场景时连接数字世界和物理世界的通用终端

4.要学好双足机器人,必须打好数学和物理基础,兼顾动手实践,两者缺一不可这个新兴行业急需优秀的人才,对于敢于面对挑战的年轻人来说是一个很好的机会

以下为安迪教授对话实录:

Q1:你有什么机会学习并进入双足机器人领域。

A1:很难说我从小就喜欢机器人,这不现实只是近几年才对人形机器人产生了极大的兴趣

首先,对控制有深入的研究我从2005年开始研究混合动力系统的控制和轨迹优化后来伴随着深度学习的成熟,我一直在参与这类系统的强化学习算法的研究伴随着离散的触地事件,双足机器人系统将在不同的动力学模型之间切换,这本质上是一种混合系统我之前在这方面的理论研究为后续的应用研究提供了极其重要的基础

其次,双足机器人的硬件在这两年逐渐成熟,算法可以在硬件上快速测试迭代硬件的成熟度对行业的发展极其重要

对机器人的研究大约始于五六年前在此之前,实验平台匮乏,我们都在打基础因为这个行业对基础要求很高,所以过去的研究没有浪费,可以直接导入到后期的研究中

经过长期的研究和技术背景的学习和匹配,有机会深入到双足机器人的研究中。

Q2:步行机器人,是为解决人类的哪些需求而生的。

A2:总的来说,机器人主要解决两种需求:

第一部分是解决移动需求,让机器人从A到B做一件事,包括无人车和送餐机器人,主要解决移动需求,

第二部分是解决操作需求,让机器人在A到B的每一个场景中操作,比如在运动的基础上增加一个机械臂来完成更多的任务。

这两部分总结了机器人90%的能力可以说这两个要求也是我们希望双足机器人能够达到的要求

Q3:普通大众会有一个疑问,为什么一定要造有脚的机器人。

A3:以前的机器人大多是轮式机器人在解决移动需求方面,腿式机器人与传统的轮式机器人有很大的不同,具有更多的优势

首先,轮式机器人通过转动车轮来移动,在平地上的移动效率比较高,而足式机器人则是按照人的运动方式行走,对地形的适应性更强原则上,它可以到达任何人都能到达的任何地方

其次,轮式机器人只能用在为其搭建的场景中,比如走引桥,铺路或者修建轨道轮式机器人很难去野外,楼梯,台阶等人们生活中随处遇到的凹凸不平的地方

双足机器人可以弥补现有轮式机器人不具备的地形适应性,对于解决移动需求非常重要。

就操作能力而言,腿足机构可以为操作提供很大的优势,这一点往往被忽视。

中国南方科技大学研制的3D双足机器人。

目前,移动作业的解决方案一般是在轮式场地上安装机械臂一般使用的轮式底盘都很重,移动时很难通过调整姿态来调整重心机械臂一旦超过重心,就很难保持平衡同时,由于底盘大,姿态固定,轮式机器人的移动作业空间相对有限

双足机器人的自由度与人类相对一致,可以在狭小的空间内完成轮式底盘+机械臂无法完成的作业任务。

例如,仿人腿机器人可以像人一样弯腰捡起东西,或者在拿起对面桌子上的东西时倾斜双脚保持平衡可以说,在技术完全成熟的情况下,这种机器人可以解决任何人类可以解决的移动作业需求

Q4:双足机器人是否能像人一样灵活面对各种场景,解决各种需求。

A4:如果你只关注某一类场景,那么通常双足机器人并不是最佳选择那你为什么需要足部机器人本质上就是专机和通用的区别

专机是指在固定场景下,代替人完成相应工作的机器但问题是,很多应用并不能为一个场景设计一个特定的平面

整个机器人发展趋势本质上是一个从专机到通用的过程比如,大部分自动化生产线都可以算是机器人,但人们称之为自动化设备多于机器人,因为太单一了

后来伴随着需求的增加,每生产一个东西就换一套设备成本太高,所以不可避免的要引入工业机器人和协作机器人,机械臂可以满足更加柔性制造的作业要求。

但是机械臂只能部署在固定的位置,还是不能满足一些要求于是人们研究在移动底盘上增加一个机械臂,也就是现在的复合机器人,不仅具有操作能力,还具有从A到b移动并完成一项任务的能力,这就是逐步提高通用性的过程

简单来说,如果你想解决单一任务,答案在大多数情况下不是脚机器人,如果你想解决多个任务,而且任务足够丰富,那么答案就是腿式机器人。

多功能性是双足机器人的最大优势你不需要为任何楼梯或任何场景设计一个特殊的平面来完成任务双足机器人本身可以完成多项任务当未来这样的任务足够多,机器人成本足够低的时候,双足机器人就会有很大的价值

问题5:这是否意味着腿式机器人不需要建立一个可以行走的环境。

A5:之前的设计理念是以专机为中心的,这种逻辑适合大量单一和重复的需求火车本质上也是专机,前提是人需要铺一条轨道才能跑

足机器人要取代的不是这些需求在各种情况下,而且需求不是那么大,需要机器人的多功能性来完成原本需要人做的事情如果你想代替人完成任务,你必须能去人能去的地方不需要长得像人,但必须有和人一样的动作方式

我们的世界是根据人的活动特点建造的,包括台阶有多宽,门槛有多高,门框有多窄,都是根据人的体型定制的我们建造了这个世界如果为了引进机械化,我们必须改造整个世界,那它不是为人设计的,而是为机器人设计的

不可否认,这两种观点都是有益的但是在需求不大的时候,人是不可能为机器人改造整个环境的,双足机器人的价值就体现在这里

问:中国国家足球机器人目前处于什么样的发展阶段与世界相比,我们是同步了还是落后了

A6:从学术角度来说,双足机器人的研究并不多不是每个学校每个专业都能有几十个老师来做这个的

从整体水平来说,这几年提高了不少,但和国外还是有一定差距。

2019年,美国麻省理工学院开放了一套四足机器人解决方案,包括硬件和软件大家的技术下限都提高到了同一起跑线上,大家都可以在短时间内开始做一只机器狗但这种开源方案本质上是学术论文开源,而不是成熟的产品方案所以大部分机器狗基本上只能走两步或者翻筋斗,离解决真正的落地需求还有很大差距

目前这种差距主要体现在软件算法的能力上国产硬件相对成熟,但功能性少所以你会看到大部分应用还是以表演为主,动作场景是固定的,回放之前就提前安排好了,包括一些盛大场合的机器人表演

如何界定水平高不高让我们看看机器人是根据实时信息做出决策和控制,还是回放预先安排好的动作

目前,我国根据实时感知信息采取行动的研究还处于起步阶段,即使在国际上,也很少有公司有完全成熟的解决方案包括波士顿动力这样的公司,也是在2018年之后才允许机器狗走进真实场景,演示上下楼梯,在工厂巡逻等场景但是,到现在为止,我们还没有看到工厂里一直稳定的运行,所以技术应该还没有完全成熟

就像人闭着眼睛也能走路,但这叫盲走在开源的前提下,盲走的技术现在基本处于同一水平虽然研究团队之间还是有一定差距,但也没有太大区别当你真的睁着眼睛去散步的时候,你要在楼梯等各种场景中去感受,然后根据感知到的情况去规划踩在哪里,用多大的力气目前国内很多机器人公司都没有成熟的规划,大学里的研究也比较少

LimX下楼梯的实时视觉反馈显示

Q7:中国发展双足机器人在产业和技术上的优势和劣势是什么。

A7:目前我们最大的挑战是短技术,但和国外相比,最后可能还是赢家。其优点如下:

首先是成本优势由于成熟的产业链和相对低廉的劳动力成本,双足机器人的硬件成本在中国具有巨大的优势

二是场景优势机器人研发和落地场景的全产业链在国内都能找到无论是ToC还是ToB场景,中国的丰富程度都是国外的几十倍甚至上百倍有些行业场景在国外甚至是不存在的从这个规模来说,中国有很大的优势

短板技术主要是缺乏机器人算法的原始创新能力机器人软件算法能力大致分为三层

首先是最顶层的AI层,是代替人做决策比如机器人现在应该做什么,环境中有什么物体,要去哪里,要抓什么物体等等幸运的是,在最近的自动驾驶大火之后,像这样的AI能力在中国是有优势的虽然现在技术还没有那么成熟,但至少在国内外没有明显劣势这个领域不完全是机器人领域我们需要解决的是提供一个通用的移动和操作平台

其次,定位导航的能力AI决定机器人应该去哪里,应该做什么接下来,双足机器人在移动的过程中需要知道A点是哪个点,B点是哪个点它从A地到B地,不偏不倚,属于定位导航能力这是和无人车,无人机联系在一起的目前这并不是很难,国内也有很多团队在这方面做的非常出色

最后是运动控制算法的能力,即如何完成从A到B以及从这一步到那一步的运动这是怎么做到的,与上层AI无关,因为AI已经告诉你从这个点到那个点在这个过程中,你需要感知和控制相结合的能力,实时感知周围环境,根据感知到的信息实时控制二三十个电机,完成所需的移动操作任务

在这些能力中,基于实时感知的多关节控制能力在国内比较匮乏,这也是我们团队专注于这个核心技术点的原因。

LimX基于视觉稳定性连续上下移动钢制空心楼梯。

Q8:我国双足机器人领域的人才供给数量和质量处于什么样的水平国内哪些高校研发腿式机器人实力强

A8:很多团队都在做,最近也有很多新的研究团队被吸引到这个领域总之大家的进步还是很明显的,但是大家的精力还是需要集中

目前除了南科大,浙江大学,北京理工大学,哈尔滨工业大学等代表院校都比较有实力。

Q9:如何评价国内一些双足机器人公司背后的产品和技术实力。

A9:个人认为目前没有很好的落地他们中的许多人购买机器狗作为玩具机器人,用于散步或展示这些本质上都是出于好奇或者娱乐行为,很难归类为在机器人领域的落地

国际波士顿动力,Anybotics都在推动工业检验的落地,国内也有工厂检验的例子但目前大部分还是无法解决上下楼梯和复杂地形等问题,与轮式机器人相比并没有太大优势大多是出于好奇和宣传展示的需要

Q10:双足机器人只有在变得全能后才能实现商业化吗。

A10:我们希望推动双足机器人真正着陆,我们非常重视人形双足机器人和四足机器人在这一点上,我们和特斯拉的想法是一样的

当它足够成熟,足够便宜的时候,未来每个家庭都会有人形机器人人形是未来的手机,相当于机器人界的iPhone,但我们还处在手机和BB机的阶段如果只是发信息,BB机就够了,还不需要iPhone这就像专机和万能机器人的区别

有些公司会直接布局iPhone的外形,比如Agility Robotics特斯拉和我们的团队将直接开发人形机器人短时间内比不上BB机的性价比,因为它只能执行简单的任务,比如发一条信息

但是人形的商业化过程会是循序渐进的,我们要做的就是先把形态固定下来,然后再加入类似App的功能。

当然,这是一个简单的类比简而言之,当人形机器人能够完成多项任务时,其商业拐点就会出现,同时也将迎来颠覆性的发展最重要的是,未来无论增加多少app,它的基本形态都不必改变,机器人世界可能会出现以前无法想象的互联网式发展

所以我的观点是,通用机器人不需要通用才有商业价值这只是最终的产品形态,我们只需要不断给它添加功能第一个功能不够,性价比还不如专机然后再加第二个功能,渐渐就比两架专机划算了特斯拉也有类似的想法与其左边有BB机,右边有手机,各个专机场各干各的,不如发明一个最终形态的iPhone

有不同的维度来划分机器人在某个维度上,我倾向于把机器人划分为工具,比如汽车和飞机,属于人的交通工具机器人可以代替人开车,但不会代替汽车,因为是人的工具,另一类是代替人的机器人,未来最有可能被人形机器人或足机器人代替

就像马斯克说未来人形机器人会比汽车大一样,我们也是。

在过去,市场上有一些担忧首先,技术还不成熟还有一个就是成本太高,但是特斯拉在发布会上说可以在2万美元以下虽然价格乍一看还是很贵,但是在一些商业和工业场景下已经足够了以后不需要左扫地机器人,右做饭机器人,一张表格就能完成保姆的任务

我觉得人形机器人进入千家万户可能还需要十几年的时间但是,工业化和商业化并不需要双足机器人实现超能力后才能启动这个节点可能在未来两三年内实现特斯拉的预测可能值得怀疑,但我们根据自己的理解,对这个方向及其商业化进程非常肯定

我们的双足机器人现在是什么状态类比同一领域,大概是2010年左右的自动驾驶阶段现在有真正的自动驾驶吗还没有真正落地,但是自动驾驶的研究和商业探索已经延伸了很多,甚至开始颠覆整个汽车行业

因此,商业节点也在一步步走来,功能逐渐增多,市场规模逐渐打开。

Q11:未来双足机器人的发展空间有多大。

A11:总体来说,整个机器人行业有两种发展思路第一个发展思路是专注于一个垂直领域各种专机都要有,前提是场地足够大,场景足够具体可是,在一些规模小,有特殊要求,不值得进行特殊平面设计的领域,它们都有一个共同的特点,那就是将成为双足机器人的应用场景

Q12:双足机器人未来有望成为陪伴家人的娱乐角色吗。

A12:现在的腿式机器人可以满足一部分陪伴需求,包括人形机器人或者可爱机器人但是现在,他们并不是特别成功,也没有特别大规模的进入每一个家庭,因为成本还是比较高的

陪伴的价值是什么这个市场是如何定义的现在还不是特别清楚我觉得以后会有一个分支,但是现在市场和产品都不是很成熟我觉得更取决于通用AI技术的发展,而不是通用机器人的发展

Q13:双足机器人受到资本关注的原因是什么你认为资本能有足够的耐心等待双足机器人的发展吗

A13:我们将此定义为一件困难而伟大的事情之所以难,是因为与现有的成熟机器人相比,双足机器人的硬件和软件不仅需要很大的创新才能实现其功能,还需要保持尽可能低的成本,之所以伟大,是因为它的应用广度和对人类社会的影响极具颠覆性这才是对这个赛道感兴趣的资本应该感兴趣的

这类资本一般都是具有长远眼光,长期关注前沿科技发展的投资机构,而双足机器人是一个有足够想象力和绝对颠覆性的领域。

尤其今年是人形机器人真正产业化的第一年亚马逊投资1.5亿美元支持物流领域的敏捷机器人特斯拉对人形的巨额投资和AI日的发布,也让国内投资者至少看到了人形机器人产业的可行性同时,马斯克降低成本的预期和能力也让我们看到了潜在的经济效益所以现在整个资本都很关注这个赛道

目前,国内投资机构如史明资本,峰瑞资本,坤众资本等都非常关注步行机器人他们愿意陪伴科学家未来十年,也不指望马上产生价值关于这一点,大家的想法都是一样的因为它艰难而伟大如果不困难,就不可能伟大谁都可以做

此外,还需要注意的是,市场上大部分投资者还不知道这个新赛道因为特斯拉的出现,他们对两足动物的关注要比四足动物多得多其实这两类的核心技术对我们来说是一样的,我们定义为通用移动操作机器人

Q14:对于关注双足机器人行业,未来可能有兴趣加入这个行业的年轻人,你有什么建议。

A14:良好的数学基础和动手实践缺一不可。

国内也有很多人非常热衷于做各种机器人,但本质都是在技术层面上做各种重复开发和集成,大部分学生的深入掌握还不够。

很多机器人行业主要依靠从业者的工程经验和技术集成能力可是,双足机器人是一项艰巨而伟大的任务,不仅需要工程经验,还需要对基础理论的深入理解,包括机器人学,非线性控制,最优控制,优化理论与算法,多刚体动力学,机器学习,计算机视觉等需要很长时间的积累,但是不急

这个领域的发展和迭代也很快三年前的技术和现在完全不一样,但只要深入了解,就会发现底层原理和逻辑是一样的为了保持事物不变,对基本原理有深刻的理解是不够的,对技术的理解是肤浅的目前市场上腿式机器人的优秀人才相对短缺,这对于敢于面对挑战的年轻人来说是一个很好的机会


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