机器人运动控制器解决方案

发布时间：2019-01-08 00:00
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来源：Ameya360
阅读量：1973

1、 前言

作为机器人的核心部分，机器人运动控制器是影响机器人性能的关键部分之一，它从一定程度上影响着机器人的发展。目前，由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行，同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求，对于不同类型的机器人，如有腿的步行机器人与关节型工业机器人，控制系统的综合方法有较大差别，控制器的设计方案也不一样。

机器人运动控制器解决方案

2、 方案概述

Ameya360 机器人运动控制器解决方案采用上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多 CPU 组成 , 每个 CPU 控制一个关节运动，这些 CPU 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合，这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多 CPU 系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构，即每个处理器承担固定任务，目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。

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看过《澳门风云 3》这部电影的朋友们，一定对剧中的机器人管家——傻强记忆深刻。在电影中，能够斟茶、变形、喷火的傻强，让很多人对娱乐机器人产生了浓厚的兴趣。实际上，这种机器人早已经出现在我们的生活中。 在国内机器人市场，优必选、康力优蓝、祈飞科技等多家机器人企业，先后推出了具有聊天、教育、陪玩功能的多种娱乐机器人，给人们的日常生活，带来了许多乐趣，同时也让人们的生活产生了诸多变化。技术助力娱乐机器人兴起一直以来，人们对机器人都有着很多美好的幻想与追求。自 1959 年恩格尔伯格发明第一台机器人后，至今机器人产业已经经过了 60 多年的发展，其在技术和功能方面都取得了很大突破。受益于技术的进步，国内机器人市场规模也在迅速扩大。 据《中国机器人产业报告》数据显示，2019 年国内机器人市场规模超过 86.8 亿美元，其中服务机器人市场达到 22 亿美元，同比增长超过 33.1%，未来几年增长潜力巨大。在国内机器人市场高速增长的同时，娱乐机器人产业也开始迅速发展。抓住市场机遇的儒博科技、小胖机器人、优必选等娱乐机器人企业，很快成为了市场中的佼佼者。不过，在产品功能方面，几家的机器人产品侧重点各不相同。例如，儒博科技主打的布丁机器人，价格在千元以下，支持英语教学功能；优必选的人形机器人产品，价格在 4000 元左右，具有跳舞、摄影等功能。 小胖进击者机器人，则具有更加丰富的空气净化、投影、语音交互等功能，在产品体验方面的表现也更加出色。对比来看，这三家的机器人产品在价格、功能方面，都有很大的差异。不过，在教育功能方面，三家的产品却有相同之处。比如，在语音和听读功能方面，三家的机器人产品都支持和儿童的语音交互、诗歌朗诵等功能，而这也正是娱乐机器人产品受市场认可的主要原因。儿童教育引爆市场娱乐机器人产品的兴起，跟儿童消费市场的崛起有很大的关系。据亿欧网数据显示，针对儿童定位的娱乐机器人产品，2016 年销量超过 10 万，远高于其它品类产品的销量。国内市场的这种现象，跟近年来娱乐机器人在教育功能方面的进步有很大关系。 一方面，在教育行业观念变化的情况下，中小学阶段的计算机编程教育被广泛推广，具有编程教学功能的机器人越发受到市场欢迎。另一方面，机器人教育已经在美国、日本、英国等海外市场得到实践，这种教育方式逐渐得到了很多家长和孩子认可。在国内媒体和商家的推广下，机器人教学这种教育方式，很快便在国内市场火爆，进而带动了整个国内娱乐机器人市场的迅猛增长。 这样的形势下，国内机器人企业纷纷在自家产品中融入多种教学功能。比如优必选、康力优蓝这些品牌，其产品都具有英语教学、诗词朗诵等功能。由此可见，这种产品教育功能的火爆，已经引起了各家企业的重视。不过，对于娱乐机器人的教育功能，各家机器人企业的理解却不尽相同。比如主打语音交互功能的布丁机器人，就主打英语训练、小学教学辅助等功能；而优必选的人形机器人，除了语音交互、同步教材教学功能外，还有编程教学功能；小胖进化者机器人则具有更高端的高中教材、解答算术题功能，教学功能更为全面。 从各家产品来看，娱乐机器人的教育功能，已经成为它在市场迅速增长的重要原因，同时也成了诸多机器人企业博弈的战场。但对机器人企业来说，机器人教育这条路并没有那么好走。 高潮之中隐忧仍存 AI 教育一直是一个饱受争议的话题，这点也在娱乐机器人身上有所体现。在教育方面，娱乐机器人产品依然面临着多方面的问题。首先，娱乐机器人主打的语音互动功能，在和儿童语音交互中，识别效果并不理想，使得这种产品的市场拓展，难以更进一步。目前的市场中，机器人产品的语音识别准确度虽然可以达到 90%以上，但在实际应用中，娱乐机器人依然很难识别儿童的语言，对产品体验造成很大的负面影响。 其次，市场中机器人企业众多，其主打的教学功能在内容方面却参差不齐，能否真正帮助儿童成长仍有待考证。比如优蓝、小胖机器人、优必选等机器人企业，都建立了自家的儿歌、故事、百科、英语等学习内容生态，但这些企业推出的内容，是否具备专业性教育资质依然难以确定。另外，机器人企业之间的博弈，也对机器人产品的教学内容质量产生了不利的影响。随着娱乐机器人市场竞争加剧，各家企业都通过扩充内容的方式，来吸引更多的用户。但这种高速扩充内容的方式，很难保证教学内容的质量。 最后，娱乐机器人发展中存在的伦理问题，也不容忽视。由于娱乐机器人针对的用户主要是儿童， 儿童又容易在机器人的陪护中，对机器人产生心理依赖，进而影响儿童的心理健康成长。因此，对机器人企业来说，怎样解决伦理问题也是它们需要思考的。同样，机器人教学中的语音互动、教学内容问题也不容忽视。而在解决教育问题的路上，机器人企业还需要多下功夫。 行业如何破冰前行？对于娱乐机器人存在的教育问题，企业还是要从教学内容、语音技术等行业痛点出发，去提升产品的用户体验感。比如，在教学内容方面，企业还是要从儿童的角度思考，推广优质教学内容，真正为儿童成长提供助力；在语音识别方面，则需要机器人企业通过技术升级，以及大数据技术的应用，提升娱乐机器人产品，对儿童语言的识别能力。对于感性依赖问题，就需要通过和家长协同，合理利用机器人产品在读听方面的优势，淡化机器人产品的生命特征，从而保证儿童的心理健康成长。在解决这些问题后，娱乐机器人在教育方面的优势，才能进一步得到体现，到那时这个千亿规模的市场，才有望迎来进一步的爆发。 在产品方面，人形、家庭服务等娱乐机器人兴起的情况下，市场的爆发式增长，也会让娱乐机器人产品出现更多的形态、功能。可以预见的是，在这些问题得到妥善解决之后，未来娱乐机器人市场，将会出现百花齐放的行业状态。到那时，优必选、康力优蓝这些具有先发优势的机器人企业，也将迎来一个绝佳的“超车”机会。
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目前，美国有近5.6万座的缺陷桥梁，而车辆在这些缺陷桥梁上每天约有1.85亿次穿行。要知道，这些缺陷桥梁随时都有可能塌掉。 一组研究人员设计了一个“桥梁巡视机器人”，用于检查桥梁缺陷，据说这款机器人可以减少检查桥梁的成本，并能彻底检查结构的腐蚀和其他故障，准确率达96%。     这款名为Seekur的自动化机器人配备了用于视觉裂纹探测的摄像头，用于混凝土钢筋评估的地面穿透雷达，以及用于混凝土腐蚀的独特传感器。 这款机器人是由内华达大学的研究人员设计的，他们说，“桥梁巡视机器人”会在公路边工作，同时交通能够保持畅通。研究人员表示，要让机器人在狭窄的桥梁上有效移动，需要使用滑动式的四驱车机器人模型，比如Seekur移动机器人，这样为了在桥面上收集数据，机器人需要从桥的一端移动到另一端，然后它需要掉头，继续它的移动，直到整个桥梁表面被覆盖。 机器人还应用了防水材料，使其更适合用于桥梁检测。Seekur Jr是Seekur机器人的下一代，它是一个完整的、全天候的户外机器人平台，用于户外安全、检查和研究。该团队解释说:“Seekur Jr的好处在于，它比前一个版本Seekur(Seekur已经广泛应用在其他机器人系统中)更万能，小一点的Seekur Jr.可以在更小的环境中工作。 它的地面穿透雷达(GPR)将雷达信号发送到桥梁表面，记录信号反射的两种方式，可以产生该物体的独特特征，传感器会扫描地面，寻找混凝土的腐蚀。     研究人员在内华达州里诺市的580高速公路上进行了测试，机器人在2016年7月28日至29日期间检查了这座桥的两侧，用不同颜色表示腐蚀状况：没有腐蚀性-蓝色，低腐蚀性-绿色，中等腐蚀性-橙色，以及高腐蚀性-红色。在分析之后，研究人员发现桥的状况良好，这是这款准确率高达96%的机器人判定后的结果。
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很多业内人士认为，机器人现在已经由蚂蚁进化成了猴子，它在工业领域逐步取代了传统工人。但是，一些人还是会认为它非常傻，他们渴望的是更高层次的类似于科幻电影里的机器人。那如果把科幻变成现实，需要攻克哪些技术门槛呢？今天笔者就和大家一起来看下。     大致来说，机器人主要分为三个部分：观测、分析、执行。 其所对应的技术分别为：传感器技术、计算机技术以及自动控制技术。 传感器最初的发展主要是为了服务于工业自动化，通过控制各个生产节点上加速度、 压力、温度、物位等物理类传感器参量，大幅提高工业生产的效率。目前这类技术已较为成熟，根据不同应用，其产品体系也比较丰富。但对于服务机器人而言，其与工业机器人的一个本质区别就在于，工业机器人的工作环境都是已知的，而服务机器人所面临的工作环境绝大多数都是未知的，这就意味着服务机器人需要有更好更丰富的传感器。比如，这种传感器需要能够全面模拟人类五官。 而目前传感器对于视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等人类真实感觉的信息探测还不是非常完善。以深度感知传感器举例，其对服务机器人的重要性是不言而喻的，虽然目前测量深度信息的方法不少，但主流的还属于激光雷达与双目视觉方案。激光雷达方面，目前最出名的要数谷歌无人车所使用的 Velodyne 激光雷达，但由于其主要靠手工打造，想大规模量产与降价都不容易。而在双目视觉方面，庞大的数据计算量便是其面临的最大问题之一。 此外，对中国企业而言所面临的问题更大。有资料显示，中国中高档传感器产品几乎 100%从海外进口，90%的芯片依赖国外，国产传感器可靠性比国外同类产品低 1 到 2 个数量级。而且更重要的是我国传感器企业 95%以上的都属于小型企业，规模小，研发能力弱，效益差。 在分析方面(即机器人大脑)，虽然机器人在诸如人脸识别等领域已经达到甚至超过了人类，但总体来说，目前市面上最好的机器人大脑也仅仅只相当于人类几岁小朋友的智力。是的，人类需要的是一台“颠覆人类生活方式的机器”而非一台“不够聪明的机器”。 虽然现在人工智能技术的突破性发展主要归功于深度学习与大数据技术的成熟，市面上也因此认为只要给予机器足够多的数据，其便能深度学习出更高甚至达到或者超过人类的智能。但动点科技曾与一位人工智能领域的从业者交流，对方认为人工智能技术要想进一步发展，仅仅依靠更多的数据已经不够了，而是需要在算法上进行革新。又有观点认为，大数据的极限只是优化的机械智能，而非人们想象中的人工智能。 最后在运动控制方面，目前大多数机器人公司都将人形机器人的研发作为其技术能力的展示，可见人形机器人的难度之大。而机器人包括人形机器人在运动控制方面最核心的组成部分便是电机、伺服系统、驱动系统以及减速机。零部件所涉及的技术含量高，国内基本靠进口。其中减速机更是如此，减速器能将电机的高速运速降低到机器人所适用的速度，因此其对机器人而言至关重要。据了解，一台机器人本体上一般有 6 个减速机，但目前国产的减速机还不能批量生产。 目前机器人仅仅减速机就占机器人成本的 35%左右(国内企业购买减速机的价格是国外企业价格的将近 5 倍)，电机、控制器部分占 10%左右。因此，机器人成本下降的关键在于核心零部件尤其是减速机能率先实现国产化。国内机器人使用的减速机、电机及驱动还是以国外供应为主，核心技术主要掌握在 abb、kuka 等几家国际巨头手中，其中日本为最大的减速机出口国。 另外，上述核心部件大多有不同厂商分别生产，以致于整个系统在集成化与小型化方面仍有很大不足，这在工业机器人领域尚不是什么大问题，但在“寸土寸金”的人形机器人等小型机器人领域便是一个大问题。 最后，即使有了聪明的大脑和完善的运动控制硬件，我们也还需要有优秀的运动规划算法来辅助，运动规划算法主要功能就是教机器人如何走路，如何避过各种障碍物等。目前稳定行走的控制理论，在实际的机器人的测试和运行过程中不是很理想。 波士顿动力算是人形机器人领域的佼佼者了吧，但其最终还是被谷歌抛弃了，原因据称是谷歌认为未来几年不可能推出商业化产品，谷歌不想再供养了。另外，美国的著名企业家、投资人和工程师 Yobie Benjamin 也表示，虽然大家看到的波士顿动力的视频中机器人/狗没有倒，但实际情况远不是这么顺利：首先是噪音太大，在实验中可以听到很大的响声；其次是稳定性不够，虽然在视频中看到它在山地中也能如履平地，但在实际测试中，即便在平地上也是经常会摔倒的，而且不能够自己站立。 总之，机器人还有一段很长的路要走。
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