隨著特斯拉人形機(jī)器人擎天柱Optimus原型機(jī)的發(fā)布，人形機(jī)器人的討論掀起了又一輪高潮。外行看熱鬧，內(nèi)行看門(mén)道，這場(chǎng)發(fā)布會(huì)上除了Optimus量產(chǎn)價(jià)格將低于2萬(wàn)美元，能完成澆花、搬運(yùn)等工作這些信息之外，對(duì)一些重要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案也做了說(shuō)明。
人體結(jié)構(gòu)是相當(dāng)精妙復(fù)雜的，看似簡(jiǎn)單的行走運(yùn)動(dòng)，除了骨骼、關(guān)節(jié)的支撐驅(qū)動(dòng)之外還需要肌肉的配合。相較之下把機(jī)器人做出仿生外形也許容易些，但是想要像人類(lèi)一樣靈活的行走、彎腰和轉(zhuǎn)動(dòng)則非常難，更不用說(shuō)讓機(jī)器人能擁有一雙靈巧的手。
特斯拉Optimus共有28個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，包括三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和三種線性執(zhí)行器。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器主要分布于肩髖等需要大角度旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，線性執(zhí)行器分布于膝肘等擺動(dòng)角度不大的單自由度關(guān)節(jié)和腕踝兩個(gè)雙自由度但是體積緊湊的關(guān)節(jié)。其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的分布方式和傳統(tǒng)仿人型機(jī)器人基本一致，而線性執(zhí)行器的分布卻與以Asimo為代表的傳統(tǒng)電伺服機(jī)器人差異較大。究其原因和Optimus實(shí)用化的設(shè)計(jì)理念相關(guān)，特斯拉需要的是一個(gè)結(jié)構(gòu)可靠、低耗能的機(jī)器人，目標(biāo)是能夠充一次電工作一整天，因此高動(dòng)態(tài)響應(yīng)并不是核心訴求。
擎天柱腿部的線性執(zhí)行器主要分布負(fù)責(zé)支撐和承力的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)，具有前后擺動(dòng)自由度。采用線性執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)器關(guān)節(jié)的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是空間利用率高，相比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器分布于關(guān)節(jié)附近，線性執(zhí)行器可以縱向布局，最大限度利用腿部?jī)?nèi)部空間，布置更大更長(zhǎng)的電機(jī)，提供更大的推動(dòng)力，如會(huì)上展示的一臺(tái)執(zhí)行器可以吊起一臺(tái)鋼琴。這也與機(jī)器人進(jìn)行零件搬運(yùn)的工作目標(biāo)相吻合。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是線性執(zhí)行器的螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)合理設(shè)計(jì)可以具備自鎖能力，即下半身不動(dòng)時(shí)可以自動(dòng)鎖定姿態(tài)，不耗能，形成一個(gè)低功耗且穩(wěn)定的底部支架。如果采用傳統(tǒng)抱閘制動(dòng)電機(jī)方案，制動(dòng)器占用額外重量且提供的制動(dòng)力矩也較小。
上肢的肘關(guān)節(jié)屈伸采用線性執(zhí)行器的理由和腿部原理一致，低耗能高推力，讓擎天柱擁有強(qiáng)壯的二頭肌。前臂的兩個(gè)線性執(zhí)行器構(gòu)成并聯(lián)關(guān)節(jié)主要目的是降低腕關(guān)節(jié)的尺寸。纖細(xì)的腕關(guān)節(jié)有兩個(gè)好處。第一個(gè)是在抓握時(shí)降低關(guān)節(jié)與工件的干涉，提高抓握路徑的靈活性。第二個(gè)是降低前臂對(duì)視覺(jué)構(gòu)建及視覺(jué)位置反饋的干擾，提升控制精度。
為什么線性執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)低能耗高負(fù)載?傳統(tǒng)諧波減速旋轉(zhuǎn)伺服在追求高動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)需要適當(dāng)降低減速比提升傳動(dòng)機(jī)構(gòu)透明度，通過(guò)馬達(dá)的高峰值電流獲得大扭矩，同時(shí)通過(guò)電流環(huán)近似計(jì)算出關(guān)節(jié)的受力狀態(tài)，高性能勢(shì)必帶來(lái)高能耗。而線性執(zhí)行的特點(diǎn)是傳動(dòng)透明度低，但等效減速比很大，能夠?qū)崿F(xiàn)大推力的同時(shí)還具有自鎖特性(只要合理設(shè)計(jì)螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即可)。特斯拉在線性執(zhí)行器上集成力傳感器直接檢測(cè)螺桿負(fù)載，以此來(lái)彌補(bǔ)傳動(dòng)透明度低的不足。因時(shí)機(jī)器人很早就發(fā)現(xiàn)了這個(gè)方案的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)集成微型力傳感器及力閉環(huán)的阻抗和導(dǎo)納控制算法讓線性執(zhí)行器兼具自鎖節(jié)能與精確力控。
發(fā)布會(huì)中的推桿采用了反向行星滾柱絲杠技術(shù)，反向的意思為螺母旋轉(zhuǎn)，螺桿不動(dòng)。剖面圖可以看到伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子直接帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)。該方案特點(diǎn)是行星滾子與螺母多點(diǎn)咬合滾動(dòng)配合，承載能力極強(qiáng)，壽命超長(zhǎng)，比常規(guī)滾柱絲杠提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。但難點(diǎn)是滾子及螺母磨制工藝復(fù)雜耗時(shí)，裝配時(shí)需要匹配不同滾子的相位，操作難度大，因此成本很高。但通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)和工藝，其實(shí)是可以在保證性能的前提下將成本降低。因時(shí)機(jī)器人通過(guò)多年的研究已經(jīng)將該技術(shù)應(yīng)用于微型伺服電缸，突破了螺母直徑10mm以下的滾柱絲杠的量產(chǎn)技術(shù)。該技術(shù)有望成為與常規(guī)諧波減速方案關(guān)節(jié)相互補(bǔ)充的主流技術(shù)方案，價(jià)格下降后在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的潛力也十分巨大。
當(dāng)然，特斯拉的這款線性執(zhí)行器也不是全無(wú)劣勢(shì)。從圖片結(jié)構(gòu)看，Optimus所使用的直線伺服電缸為半閉環(huán)系統(tǒng)，即驅(qū)動(dòng)器只控制伺服電機(jī)及螺母的位置，而最終的推桿末端位置精度通過(guò)絲杠來(lái)保證。這給末端控制精度的穩(wěn)定性埋下了隱患，隨著工作時(shí)間延長(zhǎng)絲杠會(huì)產(chǎn)生磨損，末端精度和背隙也將發(fā)生變化。為了克服這一問(wèn)題，建議在線性執(zhí)行器的末端增加絕對(duì)位置傳感器形成全閉環(huán)，通過(guò)算法補(bǔ)償絲杠磨損帶來(lái)的變化，可以在全生命周期中都保持高精度。因時(shí)機(jī)器人的微型伺服電缸就是通過(guò)末端位置反饋方案解決精度變化問(wèn)題的。
很多人把擎天柱與波士頓動(dòng)力的阿特拉斯相比，吐槽其行動(dòng)遲緩。這和擎天柱低功耗高可靠性和低成本的設(shè)計(jì)理念有關(guān)，阿特拉斯性能雖好但可靠性較差，容易漏液倒地，液壓系統(tǒng)中的伺服閥價(jià)格也很高，所以電伺服還是現(xiàn)階段很有推廣潛力的方案。
誠(chéng)然從瞬時(shí)功率密度的角度看，現(xiàn)有的電伺服系統(tǒng)的功率密度還遠(yuǎn)低于液壓伺服系統(tǒng)，無(wú)法支持奔跑與空翻。但從物理原理的角度看電伺服還有很大的提升空間，如提升馬達(dá)轉(zhuǎn)速可以增加單位時(shí)間內(nèi)電磁能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)。比如高速吸塵器中10萬(wàn)轉(zhuǎn)的馬達(dá)，雖然體積只有幾十克，但可以持續(xù)輸出100瓦以上的功率，而同樣輸出功率的工業(yè)低速伺服馬達(dá)重量多在1000克以上。因此高轉(zhuǎn)速馬達(dá)加大減速比減速機(jī)構(gòu)的方案有望進(jìn)一步提升電伺服功率密度，因時(shí)機(jī)器人一直認(rèn)為高動(dòng)態(tài)性能的電伺服仿人機(jī)器人未來(lái)可期。因時(shí)機(jī)器人發(fā)明的一種特殊行星螺母方案可以實(shí)現(xiàn)0.3mm以下的螺距，常規(guī)同體積螺母螺距不小于1mm。這相當(dāng)于提升了3倍以上的減速比，更適合高速電機(jī)的參數(shù)匹配，是微型伺服電缸高功率密度的法寶之一。
在發(fā)布會(huì)上另一個(gè)讓人驚艷的硬件就是擎天柱的五指靈巧手了。靈巧手作為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)操作的終端工具，十分重要且復(fù)雜，設(shè)計(jì)面臨的最大難題是空間極小而驅(qū)動(dòng)自由度極多。人手(不含腕關(guān)節(jié)2個(gè)自由度及4個(gè)被動(dòng)自由度)共有21個(gè)主動(dòng)自由度，如果將21個(gè)執(zhí)行器完全布置于掌內(nèi)，現(xiàn)有技術(shù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)下解決這個(gè)難題有兩個(gè)方向：一種是采用欠驅(qū)動(dòng)方式，犧牲一定靈活性減少電機(jī)數(shù)量。另一種是將電機(jī)布置轉(zhuǎn)移至前臂，采用拉線方式從遠(yuǎn)端控制靈巧手的關(guān)節(jié)，如英國(guó)的shadow手，但這個(gè)方案的缺陷是拉線機(jī)構(gòu)隨著使用，精度會(huì)逐漸變化，機(jī)構(gòu)復(fù)雜易損壞，因此尚不具備實(shí)用性。
特斯拉機(jī)器人靈巧手采取了折中的方案，使用較為經(jīng)典的六電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，拇指采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)彎曲和側(cè)擺，其它四指各用一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)。電機(jī)采用蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的目的與腿部直線伺服如出一轍，采用機(jī)構(gòu)自鎖降低能耗。為追求形態(tài)美觀及自適應(yīng)性，手指采用拉線的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，但由于線驅(qū)動(dòng)可靠性和精度的隱患，預(yù)測(cè)后期該結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)行改進(jìn)，估計(jì)也是緊迫開(kāi)發(fā)周期下的權(quán)宜之計(jì)。因時(shí)機(jī)器人仿人五指靈巧手也是從實(shí)用性的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，同樣的6電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不過(guò)靈巧手采用了剛性連桿結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)置力傳感器，使得靈巧手兼具可靠性和控制柔性。
在因時(shí)機(jī)器人看來(lái)，特斯拉發(fā)布的擎天柱原型機(jī)再一次印證了一個(gè)趨勢(shì)，那就是機(jī)器人核心零部件今后的發(fā)展方向勢(shì)必是向小體積、大功率密度、低成本和可量產(chǎn)去靠攏的。畢竟特斯拉想要造出來(lái)的只是一臺(tái)能夠代替人類(lèi)完成一些簡(jiǎn)單重復(fù)工作的機(jī)器人，而不是一個(gè)真正的“鋼鐵俠”?？紤]到核心零部件的功耗、成本以及空間比等因素，選擇電驅(qū)執(zhí)行器也就順理成章了。微型伺服電缸作為因時(shí)機(jī)器人研發(fā)出來(lái)的一種微小型電驅(qū)執(zhí)行器，不僅被我們用作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件，在需要高精度的生物醫(yī)療領(lǐng)域，亦或在3C自動(dòng)化、新能源等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用空間。
也許特斯拉optimums沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大眾的幻想，但是人形機(jī)器人除了自身的商業(yè)價(jià)值之外，更多的是代表了最先進(jìn)的技術(shù)，而這些技術(shù)將會(huì)在機(jī)器人領(lǐng)域之外大放異彩，改變我們當(dāng)下的生產(chǎn)方式甚至是生活方式。未來(lái)已來(lái)，你準(zhǔn)備好了嗎?
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