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人形机器人行业研究:盘点国外人形机器人之波士顿动力Atlas

2023年12月18日

编辑:Ana Hu

中国出海半导体

 

人形机器人有望成为计算机、智能手机、新能源汽车之后的颠覆性产品,其发展潜力大,应用前景广,将是未来产品的新赛道。今天,中国出海半导体将继续带您了解波士顿动力公司的人形机器人Atlas。

 

一直以来,人形机器人产业发展都备受关注,而近年来涌现越来越多的企业投身其中,这与我国政策支持不无关系。上个月工业和信息化部出台了《人形机器人创新发展指导意见》,其中提到,人形机器人有望成为计算机、智能手机、新能源汽车之后的颠覆性产品,其发展潜力大,应用前景广,将是未来产品的新赛道。而国金证券近来也发布了《机器人行业研究》,中国出海半导体继续和大家一起来解读这份行业报告。

您将在这个系列文章中了解到:国内外人形机器人发展的现状、应用场景、技术壁垒,以及未来发展方向。今天,让我们来了解一下波士顿动力的人形机器人。

 

波士顿动力:采用液压伺服驱动方式,Atlas机动性表现突出

 

波士顿动力成立于1992年,师美国著名机器人公司,它深耕机器人领域三十余年,拥有全球领先的机器人技术。

  • 在四足机器人领域

——1986年,创始人Raibert此时还在麻省理工学院任职的期间,便开发出第一台能够行走和奔跑且完全动态稳定的四足机器人。

——2005年,波士顿动力与美国国防高等研究计划署合作,推出了四足机器人Big Dog。其后,波士顿动力持续进行机器人研究,并推出LS3、Wild Cat、Spot等多款机器人产品。

  • 在人形机器人领域,

——2009年波士顿动力推出了双足机器人Petman,主要用于检验美军防护服性能和军事设备。

——2013年,波士顿动力持续在Petman基础上改进,发布了人形机器人Atlas。——2013年至今,波士顿动力不断改进Atlas性能,现已具备翻越障碍物、空中转体、后空翻,在狭窄地形中自主导航等能力。

图1:Atlas人形机器人外观图1:Atlas人形机器人外观

 

人形机器人Atlas性能表现机动灵活

 

人形机器人Atlas机动灵活,可完成较多高难度动作。Atlas人形机器人高1.5米、重约80千克,自由度28个(液压关节),配备RGB相机和深度传感器。Atlas的膝关节扭矩高达890N·m,髋关节扭矩达840N·m,步行速度达1.5m/s。根据波士顿动力21年发布的Atlas跑酷视频,Atlas可以顺利完成跃平衡木、过斜坡、连续后空翻等动作。

图2:Atlas人形机器人可以完成跳跃平衡木、过斜坡、后空翻等高难度动作图2:Atlas人形机器人可以完成跳跃平衡木、过斜坡、后空翻等高难度动作

 

2023年1月,波士顿动力发布Atlas人形机器人最新视频,视频中Atlas在工地给人类当助手,其表现相当出色,完成了诸如:搭桥、爬楼、飞身旋转、向人类扔工具包、前空翻等灵敏动作。

图3:Atlas人形机器人再工厂给人类充当助手图3:Atlas人形机器人再工厂给人类充当助手

 

人形机器人Atlas性能表现优秀原因

 

硬件:液压驱动+3D打印零件,人形机器人Atlas机动性强。

液压伺服驱动技术优势:液压驱动原理是通过液体压缩泵产生高压液体,高压强作用于缸体产生巨大推力,带动机器人关节运动。单纯从后空翻动作分析,落地时刻Atlas所受地面的冲击力较大。Atlas采用电动+液压混合驱动模式,相比单纯的电机驱动,液压驱动具有高负载驱动特性,为Atlas带来更大的抗冲击能力。此外,液压结构使机器人更具“弹性”,除了油液自身的可压缩性,采用蓄能器还能起到减震作用,使肢体更具有弹性。

波士顿动力在液压驱动领域技术领先。根据波士顿动力官网,Atlas拥有世界上最紧凑的移动液压系统之一。定制的电动机、阀门和紧凑的液压动力单元使Atlas能够向其28个液压接头中的任何一个提供高功率。Atlas有一个非常紧凑的液压驱动装置,重5kg、功率5kW,内含电动泵储液罐、电池、过滤器、电子设备和一个冷却系统,凭借28个液压驱动器可以完成各种爆发力强的杂技动作。

图4:Atlas液压驱动装置和原理展示图4:Atlas液压驱动装置和原理展示

 

3D打印节省空间:最简单的液压执行器需要油箱、液压泵、伺服液压阀、溢流阀、液压管路、执行器(油缸)以及做反馈控制用的扭矩、角位移、角速度等各种液压传感器。为了节省空间,Atlas使用3D打印技术制作机器人的腿部,将伺服阀、执行器、液压管路完全嵌入到四肢机构件中,实现了液压系统与肢体的完美融合,同时还节省了成本。此外,Atlas高度1.5m,重量80kg,3D打印零件赋予其跳跃和翻腾所需的强度重量比。

图5:Atlas采用3D打印将液压管和阀件内置图5:Atlas采用3D打印将液压管和阀件内置

 

软件:自主步伐规划算法+行为库+模型预测控制,感知、执行功能强大

自主步伐规划算法:Atlas使用集成IMU、联合位置和力传感器来控制自身的肢体动作,并通过感知地面来保持平衡、识别障碍物的间隙。Atlas使用TOF深度相机以每秒15帧的速度生成环境的点云(测距的大规模集合)。Atlas的感知软件使用多平面分割算法从点云中提取平面,并最终为各种障碍物构建模型。

图6:深度相机拍摄的Atlas机器人的点云旋转视图,这使其能通过视觉感知来规划行为图6:深度相机拍摄的Atlas机器人的点云旋转视图,这使其能通过视觉感知来规划行为

 

行为库:Atlas在跑酷中所做的每个动作都源自使用轨迹优化提前创建的模板。通过向模板库中添加新的轨迹,可以不断为Atlas添加新的功能。在给定感知计划目标后,Atlas可以从库中选择与给定目标匹配的行为。工程师通过离线设计可以优化Atlas的运动轨迹。例如,在越过平衡木时,机器人行为是使用离线轨迹优化设计的复杂行为,同时在线控制器将模板动作变成现实。

模型预测控制:在确定了机器人前面的箱子、坡道或障碍物,并计划一系列操作以越过它们后,Atlas需要可靠地执行计划所需的细节。Atlas控制器被称为模型预测控制器(MPC),该控制器使用机器人动力学模型来预测机器人未来的动作。其工作原理是通过优化来计算Atlas当前要做的最优事情,从而随着时间的推移产生最佳动作,行为库中的模板会向控制器提供最佳解决方案。

图7:离线轨迹优化帮助Atlas完成翻平衡木等行为图7:离线轨迹优化帮助Atlas完成翻平衡木等行为

 

就目前来讲,Atlas仍是被定位研究平台,尚未实现商业化。液压驱动方案虽然爆发力强,但缺点在于噪音大、易漏液、对污染敏感、对液压元件的精度质量要求高、对维护团队要求高等,导致制造成本较高,难以走出实验室、走向商业化。根据大豫机器人微信公众号,Atals人形机器人售价过高,单台价值约200万美元,目前暂无商业化尝试。此外,Atals的后空翻等能力在实际商业环境中的作用较小,波士顿动力目前仍将Atlas定位为一个研究型平台。

 

下一期我们将共同了解1X Technologies公司的人形机器人。敬请期待。关于我们本期内容您有什么想法,欢迎沟通交流(anahu@ehaitech.com)

 

数据来源:波士顿动力官网、机器之心、液压传动与控制、智东西

参考文献来源:国金证券研究所

 

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