從成都大運會閉幕式，看人形機器人的技術躍遷
http://m.moduwu.com 2023-08-10 09:27 來源：雷峰網
在剛剛結束的成都大運會閉幕式上，人形機器人“天團”吸引了全球目光。
在第三篇章《夢想·致未來》中，優必選自主研發的人形機器人Walker X騎著平衡車快速行進、急速轉圈、高速動作，與舞蹈演員“斗舞”拉開序幕，并觸發本次閉幕式的重頭戲。
Walker X騎著平衡車環繞舞臺，用手指逐一點亮15塊移動屏幕，與宋代著名繪畫藝術珍品《蜀川勝概圖》進行互動。隨后4臺熊貓機器人優悠上場，手拿風車和自拍桿，與樂隊和50多名演員合作。在這個節目中，人形機器人不再是配角，而是成為最矚目的主角。
這是世界性綜合運動會首次在閉幕式采用大型人形機器人，5臺人形機器人完成這一系列復雜動作的背后，有哪些技術難題，又隱藏著哪些核心技術？
01
人形機器人騎平衡車登上大運會閉幕式，有哪些技術難點？
在大運會閉幕式的舞臺上，優必選4臺熊貓機器人優悠和1臺大型人形機器人Walker X需要在非常復雜的環境中與多名演員進行互動，并自主控制自拍桿、平衡車等設備，全面呈現了豐富的人機交互技術、高難度的平衡控制技術、穩定的步態控制技術、復雜的路徑規劃技術、多傳感器融合的定位技術等多項人形機器人核心技術。
這次優必選為大運會項目專門研發了機器人平衡車，實現了人形機器人控制平衡車。
人形機器人騎平衡車，主要分四步：感知、規劃、控制和執行（動作展示）。這個看似簡單的流程，實際非常復雜。大運會閉幕式的開放式舞臺，更加劇了這個流程的復雜度。
人在騎平衡車時，首先要通過眼睛等感知器官獲知自己所處的位置和周邊的環境情況，例如自己應該按著哪一條路線前進。這些信息會經由大腦的中樞神經系統進行處理，進而下發動作指令至某個活動執行單元，例如手、腳等，完成具體的動作指令。與此同時，人的身體會基于各種信息進行實時調整力度，比如讓自己的重心稍稍前傾，最終實現動態平衡。
與人類似，機器人在執行任務時，第一步便是利用攝像頭、激光雷達等傳感器識別周圍環境，以及IMU（慣性測量單元，用于加速度、角速度和姿態等信息）、輪式里程計（測量平衡車的車輪轉動的距離，來計算出機器人的位移），再加上UWB（超寬帶）技術來實現無線定位，讓機器人知道“自己在哪兒”，從而為其在舞臺等復雜環境實現大場景、遠距離的精確行走提供導航信息。
這些多傳感器的融合，本質上是為了克服單一傳感器的局限，提高機器人在復雜環境中的定位精度和魯棒性，再配合相應的路徑規劃算法，實現平衡車在舞臺上精確穩定的導航和定位。
好比人的多個感官系統，如果只憑借觸覺，難免造成盲人摸象，很難形成對事物的整體感知。
要將這些不同傳感器采集到的非結構化數據融合在一起并不容易，尤其還要實現毫秒級計算與響應，除了要配備強大算力的芯片以外，對于多數據融合的算法要求也極高。而這些復雜信息數據的處理和計算，只完成了第一步。
接著，當機器人感知到自身位置之后，便要開始規劃上下場路徑。
在舞臺現場，每臺熊貓機器人優悠要行走20米，并在1分鐘之內完成上下場，以及切換隊形。這個過程中比較大的難點在于，隊形很難保持一致，并且要求機器人在執行動作時不能互相干擾。
為了克服這個難點，優必選開發出了基于時序的路徑規劃技術，實現在有限空間內讓多臺機器人安全、互不干擾地行走。同時，優必選將離線規劃的運動里程計與在線反饋定位信息的差值實時引入步態調整中，通過修正行走步長和轉向步長的方式，實現機器人上下場軌跡的精確控制，避免機器人出現“拖拉拽”帶來的碰撞問題。
感知、規劃之后，便是控制與執行。控制是機器人在理解語義任務之后形成的動作，而執行則是具體動作帶來的結果展示。比如，機器人跳舞，實際上是機器人控制各個執行單元的效果展示。
由于四臺熊貓機器人表演的舞臺區域由升降臺和一塊塊木板拼接而成，表演時，舞臺會升高1.5m，而且舞臺間隙存在高低落差，這對于機器人步態的穩定性和復雜環境的適應性要求極高。讓機器人走得穩，也一直是困擾人形機器人的最大難點之一。
優必選大型機器人采用了六維力、IMU、位置、視覺等多種傳感器數據，估計機器人自身運動狀態和環境信息，并針對復雜地形研發特定的行走算法，同時通過平衡控制器實時在線調整，來解決機器人在不平整地形下行走的穩定性問題。
閉幕式現場，機器人除了與人斗舞，還能與小朋友互動，接過風車、拍照留念等等，為此優必選專門設計了擬人化程度更高的機器人動作，讓人形機器人的頭部、腰部、手臂動作顯得自然流暢。
此外，Walker X在平衡車上進行表演，要求人形機器人進行快速運動以跟上音樂節拍。優必選通過持續的算法優化來尋找最優模型，通過關節空間內的最優路徑規劃，將人形機器人舞臺動作呈現的速度提升了一倍之多。
02
人形機器人走進生活還有多遠？
作為機器人的最終形態，一個能說會道、像人一樣走路工作的人形機器人，是人們對機器人的終極理想。
優必選CTO熊友軍此前在2023世界人工智能大會演講中提到，“人形機器人的iPhone時刻已經開啟，人形機器人將在人類科技史上留下濃墨重彩的一筆。”
熊友軍認為，從工業革命以來，每一個時代都有它的標志性產品，第四次工業革命是智能化的改革，其標志性產品就是人形機器人。人形機器人是一個多任務、通用型的機器人平臺，更能適應人類的生存環境，更易使用人類的生產工具，更易與人進行情感交流，人形機器人將賦能各行各業，最終走入家庭。生成式人工智能與人形機器人技術融合后，有望大大提高人形機器人產品迭代速度和提升交互體驗，使人形機器人變得更加智能，從而加速走入家庭的進程。
業內一般將人形機器人技術領域的難點歸為兩方面，一是算法，二是機械結構。
前文曾提到，人形機器人采用多類傳感器（視覺、觸覺、力傳感、編碼器等等），這些傳感器感知數據的融合，以及規劃控制算法，需要不斷地測試模型、調優，是一個巨量工程。
在算法做到精準極致的前提下，人形機器人的機械結構亦相當重要，其涉及的零部件，如舵機、伺服器、線束等數量繁雜，對結構設計的緊密性、靈活性要求很高。
例如，人形機器人的“腿”，哪怕只是一條線束發生纏繞，機器人就很可能直接喪失行走能力。
即便算法和機械結構的問題解決了，還有一個至關重要的問題：如何保證人形機器人的魯棒性，即穩定性。
機器人的魯棒性，可以簡單類比為芯片的良率，一款芯片能不能成熟的商用，在于其良率的高低，良率越高，進入市場的概率越大，反之良率低的芯片，量產規模小且很難推向市場。機器人的魯棒性越強，意味著其執行任務的能力越穩定，就越具備落地的可能，反之亦然。
不過，這些難題并沒有影響人們對人形機器人的關注與熱情。作為中國人形機器人的先行者，優必選大型人形機器人Walker 已經更新到第四代，并在央視春晚、深圳經濟特區成立40周年晚會、迪拜世博會中國館等多個重要場景，展示中國人形機器人技術實力。
近兩年，特斯拉、小米、三星等國際巨頭先后宣布入局人形機器人，特斯拉CEO馬斯克甚至表示，未來的人形機器人需求有望達到100億臺。對于人形機器人市場的樂觀情緒，從中可見一斑。
現階段的人形機器人在技術上還有很大的提升空間，但伴隨著技術的「涌現」，人形機器人或許將在不久之后迎來一次技術躍遷。
畢竟，在ChatGPT未問世之前，人們也將AI戲謔為人工智障。但如今，通用型人工智能的希望已可以窺見曙光。AI大模型這類底層技術的變革，也將給人工智能行業，包括機器人在內的諸多細分賽道，帶來強大的推動力。
具體到人形機器人，以OpenAI為代表的大模型、Meta的SAM模型等，讓機器人在視覺識別物體、理解場景語義等方面更具智能，尤其在人機交互領域，其智能化程度將得到大幅提升。
技術反哺到產業，當人形機器人愈發智能，具備落地到生活場景的可能性時，整個產業鏈也將隨之變化。市場需求從下往上反饋至廠商，倒逼供應鏈升級完善，以及相關技術的優化提升；相關零部件的成本也將下探，從而自上而下推動人形機器人更廣泛的商業化落地。
在落地應用方面，優必選人形機器人聚焦于教育、智能制造、商用服務等領域，先后在沙特NEOM新未來城、中國科學技術館、AI教育培訓基地等場景應用落地，在智慧化的工廠，優必選正在嘗試用人形機器人進行智能分揀、老化測試等工作。
要真正讓人形機器人走入家庭，仍有一些技術難點需要克服。在熊友軍看來，人形機器人的量產將會分三步走：第一步是在結構化、可控環境中的小批量試用和進化，完成一些簡單任務；第二步是在非結構化、可控環境中訓練和進化，進一步提升運動、感知和決策能力；待與之適配的人工智能技術逐步成熟、制造工藝趨于穩定、成本也大幅降低后，人形機器人大規模量產就水到渠成了。
03
結語
大運會閉幕現場，Walker X和熊貓機器人優悠表演結束之后，迎來了大運會會旗的交接儀式。萬眾矚目下，大運會被主辦方交接給號稱“世界制造業標桿”的德國，下一屆東道主德國開始show time。這意味著由中國制造的人形機器人開啟“德國時間”。
作為老牌的工業大國，德國的制造業水平首屈一指，中國則是新興的工業大國，其供應鏈和制造業水平也不遑多讓。
人形機器人是現代工業制造的一顆明珠，其代表著制造業、先進科技的技術水平。在這個全世界目光聚焦的時刻，中國原創人形機器人為“智慧大運”劃下完美句號，也向世界展示了中國人形機器人的發展水平、技術實力和產業能力。
編輯精選
