1、 2023 年第 5 期 47“大圣”出世，通用人形底盘未来可期双足机器人的结构类似于人类腿足，以刚性构件的连接和转动，模仿人类髋关节、膝关节和踝关节的活动，以执行装置代替肌肉，实现对机体的支撑和协调运动。相比于四足机器人，双足机器人的平衡系统更为复杂，在关节的轻量化设计和行走稳定控制技术等方面都存在巨大的研发困难，因此双足机器人的产业化进展一直不太理想。无论是对于动物还是机器人，双足“大圣”出世，通用人形底盘未来可期在2023世界机器人博览会上，一款名为“大圣”的双足机器人甫一亮相，就以其类鸵鸟的形状吸引了无数观众和展商驻足。作为国内首款大尺寸仿鸵双足机器人，“大圣”面向科研教育与产业探索需
2、求，填补了大尺寸仿鸵鸟构型双足机器人的产品空白。机器人产业杂志专访五八智能科技（杭州）有限公司总工程师袁海辉，挖掘“大圣”项目背后的研发意义，探求双足机器人产业的未来走势。文/刘政鑫行走都是难度最大的运动方式之一，但双足行走的步行性能却是其他方式无法达到的。它的移动“盲区”很小，能适应各种复杂的地面情况，且具有较高的越障能力，能够通过不平整、不规则或较窄的路面或者上下台阶。双足机器人行走时占地面积小，活动范围大，与人类协作时不需要大规模改造环境。配置的机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。仿鸵鸟构型的双足机器人鸵鸟是陆地上跑得最快的双足动物，鸵鸟和豹子、猫等行动敏捷的动物
3、的腿部运动原理相似，都呈一种三段式的结构，因此五八智能科技（杭州）有限公司（以下简称“五八智能”）总工程师袁海辉博士萌生了研发一款仿鸵机器人的想法。相比于传统的双足机器人构型，仿鸵鸟构型的优势在于腿型纤细以及具有弹性储能机构。惯量的大小对机器人的行动能力有很大影响，袁海辉举例说，“惯量就好比一个沙袋，设想一下，如果把沙袋绑在脚踝上，走路会非常吃力，但如果绑在腰上，影响就会小很多。”“大圣”腿型纤细，能将腿部摆动的惯量降低，在行走过程中应用同样大小的力可以摆动更快。腿部弹性储能机构是“大圣”的创新型设计。在行动肢上加装一块板簧，能起到缓冲的作用，同时依靠自身韧性来存储能量，帮助机器人提升奔跑速度
4、和跳跃高度。机器人关节结构的耐性是衡量其使用寿命的重要指标之一。“大圣”依托于其独有的弹性储能机构，其关节的使用寿命和可靠性优于其他种类的刚性机器人，在测试期间几乎从未出现关节损坏的情况。谈及为何要给仿鸵机器人取名为“大圣”时，袁海辉笑道，“大圣意为大的胜利，同时我们对它寄予厚望，希望它能像西游记中的大圣一样，勇往直前、不断突破，为国内双足机器人的发展开辟出一片新天地。”自主化技术实现零的突破目前，五八智能“大圣”研发团队已刘政鑫 本刊编辑48 机器人产业|ROBOT INDUSTRYCAse StudY案例分析 2023 年第 5 期 49“大圣”出世，通用人形底盘未来可期实现包括一体化关节
5、、刚柔耦合传动机构、高性能实时通信系统，以及双足动态平衡控制等技术在内的全链条自主化，这些核心技术的自主化支撑机器人“走稳”和“走好”。对于“大圣”在测试中的表现，袁海辉表示，“大圣已成为国内双足机器人赛道的先行者”。优秀的底层算法，赋予了它极强的抗扰动能力。从参数来看，“大圣”的动态抗扰动冲量质量比达到 0.4 Ns/kg，行走中的“大圣”被 4 公斤的球体撞击，依旧能够恢复正常的行走状态。目前，“大圣”的其他参数仍与国际先进水平存在一定差距。比如，其最大行进速度为 4.5 公里/小时，但无法长时间保持该速度，且机体存在晃动情况。对于双足机器人而言，如何在复杂场景中保持平衡，是一个极大的难点
6、。“我们宣传片里有大圣在障碍场景中的测试效果，结果还是很理想的。目前，国内双足机器人很难适应 4 5cm 的非平整路面高度，袁海辉在提及大圣的高度适应性时表示。地面感知能力对于机器人越障行走极其重要，机器人需要在行走中用传感器收集信息，通过一定的算法实现地面感知。传统双足机器人需要红外传感器、激光传感器、视觉传感器等，而“大圣”仅依靠肢腿的柔性结构和陀螺仪，就能达到相似程度的地面感知。“它的柔性结构比光电传感器传递信息的速度更快，在这一方面与其他双足机器人不同”，袁海辉解释道，“光电传感器收集到的信息需要通过线缆传输到中控，这个过程需要一定时间，而柔性结构形变的检测时间更短，因此通过连杆结构的
7、形变获取外部信息，能使机器人更加灵敏，做出相应调整动作的速度也会更快、更精准。”这种基于机体结构的50 机器人产业|ROBOT INDUSTRYCAse StudY案例分析传感被称为本体感知。视觉传感器感知环境时会出现余量，而本体感知是实时的、准确的、瞬时的感知。同时，肢腿的结构形变检测能降低传感器对环境的要求，不会出现光学传感器因为环境有强干扰因素而无法工作的问题。“大圣”的自重为 30 公斤，比国际先进仿鸵机器人 Cassie 轻 10%。“大圣和 Cassie 的体重差主要体现在关节上，搭载电池的重量与 Cassie 相差不大”，袁海辉在谈到机器人自重时表示。目前，“大圣”所有关节均为非
8、标化自主设计，在保证关节可靠性的同时，较国际先进水平减重 10%。对于“大圣”如何实现在不同路面条件下的抗扰动和抗冲击能力，袁海辉表示，“机器人的步态控制分为动态控制和静态控制。静态控制即通过关节机械运动调整机体运动时出现的侧偏，使得行进过程中，机器人的重心始终位于脚面正上方。动态控制则是通过机器人的持续运动以保持机身平衡。大圣 具有优秀的动态控制能力，可以保证在一定速度下稳定运行。”通用人形机器人底盘目前，“大圣”暂未开发出丰富的应用场景。“我们研发大圣，是要将它作为通用的人形机器人底盘，未来搭载上半身，实现多种场景应用。”袁海辉表示。在产业链中，尚未出现对双足机器人的大规模需求，关键在于其
9、应用场景不清晰以及缺乏落地应用的条件。而现有的小规模需求难以牵引产业链上游厂商协同开发，双足机器人的潜在应用场景的示范性应用就迟迟不能出现。2023 年第 5 期 51“大圣”出世，通用人形底盘未来可期以双足机器人为代表的人形机器人，是机器人领域概念新、应用少的构型，其产业链、供应链尚未完善。“五八智能正在与上下游企业联动起来，从小规模应用出发，实现小范围的上下游企业对标，以优越的产品性能促成下游企业规模化需求的形成，实现从场景需求到研发生产的内循环。”袁海辉介绍道。“如果你们需要，我可以把电路板都开放出来”谈及“大圣”作为开发平台有哪些优势，袁海辉分享道：“大家做入门级平台，一般会基于一些简
10、化的模型来做。仿鸵鸟构型的设计，质量基本分布在腰部，看起来非常接近简化的倒立板模型，像这样基于简化模型做运动控制，误差会比较小。”当前，商业机器人的开放程度普遍较低，而“大圣”的对外开放程度较高。袁海辉总结“大圣”的优势是“开放程度高、模型误差小”，他表示“如果你们需要，我可以把电路板都开放出来”。作为业内大尺寸仿鸵双足机器人的首发企业，五八智能对“大圣”的关节、电控、运控等关键技术全部开源，为下游企业的二次开发提供便利，避免发生重复“造轮子”的情况。五八智能在设计关节时，采用定制化刚度设计，将柔性关节控制的难度降低，也降低了下游企业的应用难度。目前，“大圣”主要面向国内日益升温的双足机器人科
11、研教育与产业探索需求，是一款高性能与高拓展性的科研教育平台，不仅支持外设拓展与二次开发，还为高校与科研机构开放底层传感与控制接口，为运动控制、智能感知、定位导航等方向的研究与产业应用探索提供可靠的平台支持。五八智能围绕仿生机器人，开展仿生运动控制、仿生智能感知、人机交互等技术的研发工作，面向国家战略层面的重大需求，形成了具有特色的仿生智能技术和产品体系。“大圣”的研发从未停止。目前，研究团队正在对标美国 Agility Robotics 公司的 Digit 机器人开展机器人上半身设计，通过增配轻量化仿生臂爪，为“大圣”装配攀爬、灵巧操作、人机协同作业等能力。在仿生智能科技领域，我国紧跟世界先进水平，基本形成了完整的基础配套产业和领先的技术平台储备，在全球拥有广阔的市场前景。期待以仿鸵机器人“大圣”为代表的通用人形底盘能够不断夯实底层技术，开发多样的应用场景，在“机器替人”的时代下绽放异彩。在线阅读（节选）