這個機器牛是頂流

劉芯伶

從節目表現來看，拓荒牛的先進性在于動作自然柔順，反應快速準確。這種人都很難做得到的表演，有賴于系統和控制兩方面的高效結合。

讓機器人“整齊劃一”有多難

據提供“拓荒牛”機器人的公司介紹，它本體重量 60 kg，最大負重達到 15 kg，采用了通用力控關節，同時滿足高精度高帶寬力矩控制和較大的力矩質量比，其背后蘊含著一系列中國科技企業自主研發的硬核技術：高性能實時主控系統、力控伺服驅動器、全動力學優化算法、激光雷達定位導航算法

讓數十臺機器人以整齊劃一的動作完成表演，在硬件控制和軟件算法上都存在著許多難點。以今年春晚上亮相的“拓荒牛”為例，主要難點有二。

一是力控關節

要具備優美、連貫的肢體表現力，關節的靈活運用起到了關鍵的作用。“拓荒牛”機器人能夠做出高難度動作，也是歸功于此。它共有16個自由度：每條腿3個自由度 （共計12個）、頭部3個自由度、尾巴1個自由度。在擁有如此多的自由度下，能讓“關節”精準地輸出位置和力矩，力控伺服驅動器是核心。簡單來說，就是機器人身上的每個伺服驅動器，在接收到指令之后會做到實時響應;多個伺服驅動器“協同運行”，便可以讓機器人靈活運動起來了。

從硬件構成來看，伺服驅動器主要包括了電機、減速器、碼盤和力矩反饋單元等。針對“拓荒牛”的表演任務，對伺服驅動器各個硬件的選型，也成為了一個重要的問題。這一問題靠利用正反驅固有頻率匹配和慣量匹配的方法，得到很好的解決。

與其他四足機器人產品不同，“拓荒牛”四足機器人采用的通用力控關節，未來能夠在其他機器人產品上作為腿部和手臂關節使用。值得一提的是，這是在2020年10月才剛剛研發出來的。

二是步態算法和定位算法

從舞臺上“拓荒牛”的表演中不難看出，大型四足機器人在臺上不僅要快速行進，而且還要完成高難度動作，這就需要高動態運動控制算法，來實現給定軌跡的跟蹤。

提供機器人的企業早前在大型仿人服務機器人Walker的研發中，對“基于優化的全身運動控制”算法軟件庫很熟悉，使得此次對于“拓荒牛”機器人的算法研發工作，并不是“從0到1”的過程。在Walker的動力學模型基礎上，他們快速研制出適用于四足機器人的模型。

除此之外，要完成表演，還需根據舞蹈的動作命令，利用軟件庫實時求解出各個關節所需要的力矩。同時對“演員”在舞臺的定位也是算法層面的另一個難題。為此， 工程師們針對舞臺現場的特點，優化了激光雷達建圖定位算法，建立了舞臺的3D地圖，解決了這一問題。

與此同時，在高性能算力的支持下，這些復雜的算法才能夠控制在1kHZ下實時完成。

機器人大賽中的四足機器人

四足機器人在大學生機器人比賽中也常有亮相。據北京科技大學MEI機器人隊輔導老師介紹，在ROBOCON比賽中采用的四足機器人，以雷達紅藍場互換結構實現定位導航，運用逆向運動學的知識設計末端執行器，在設計出擺動軌跡后，計算出電機在運動時刻擺動的角度，以實現跳躍避障、原地轉向和步態平衡。

在人工智能和機器人教育蓬勃發展的大形勢下，四足機器人由于其結構簡單、部署方便，能夠幫助學生快速理解和實踐基礎人工智能和機器人知識，助力高校科研教育;另外在商業服務、安防巡檢等領域，四足機器人在復雜環境中有更好的運動能力，能夠為各行各業提供智能服務。

目前四足機器人沒有正式開售，前期硬件、軟件及其他研發費用較高，市場上的剛性需求并不清晰，商業化仍待時間考驗。且從市場規模和國家政策支持來看，機器人產業的發展前景十分廣闊。機器人行業的發展以技術進步為導向，相信隨著先進技術的不斷更新迭代，智能機器人將會走進千家萬戶，讓我們的生活更加便捷、更加智能。

責任編輯：樸添勤