機器之心原創(chuàng)
撰文 | 吳昕
與當年 Asimo 踩高蹺似的行走姿態(tài)不同，更小巧精準的傳感器、更強大的動力關(guān)節(jié)、更好的建模方法等機器人移動技術(shù)的進步，讓機器人流暢行走成為可能，也推動四足機器人大步邁向應用市場。基于 " 第一性原理 "，帶著在 C 端積累的研發(fā)和制造優(yōu)勢，追覓科技正步入這個新市場。
在需要重復作業(yè)的場景下部署機器人并不是什么新主意。在世界各地的工廠，有數(shù)百萬臺機器人在車間工作，但它們中的大多數(shù)只是被固定在地面上，沿著既定弧度揮舞著巨大的機械臂。
和這類機器人不同，追覓科技最近完成研發(fā)的一款工業(yè)級四足機器人，不僅能自主穩(wěn)健行走，未來在搭載了救援工具、喊話器、圖傳相機、補給品等相關(guān)設備之后，能夠在復雜地形、惡劣環(huán)境甚至有毒有害場景下工作，執(zhí)行巡檢、救援等更加復雜的任務。
這款工業(yè)級四足機器人身長 1 米、體重 70 多斤，擁有 12 個關(guān)節(jié)，形似一只 " 大狗 "。它身體四周安裝了深度相機、魚眼相機、超聲波傳感器及多線激光雷達等，可在鐵軌、廢墟等復雜地形下行走，可負重、上下樓梯。
" 我們的工業(yè)級四足機器人在平地的最大行走速度可達每秒 2 米，可以靈活選配上裝，例如云臺相機、熱紅外相機、RTK GPS、可燃氣體探測傳感器、多自由度機械臂等儀器設備，以適應不同應用場景的作業(yè)需要 "，追覓科技旗下創(chuàng)新機器人研究院的一名產(chǎn)品經(jīng)理向機器之心介紹道。
2021 年，追覓科技曾推出仿生四足機器狗 Eame One。上述工業(yè)級四足機器人是追覓科技繼 Eame One 之后推出的第二款四足機器人。不僅追覓科技，其他科技公司和研究團隊也正在推出更多類似機器人。除了聲名顯赫的波士頓動力 SpotMini、MIT Cheetah（獵豹） ，在國內(nèi)，小米、騰訊也已經(jīng)相繼推出「鐵蛋」和 Max，還有專注工業(yè)四足機器人的宇樹科技、云深處等創(chuàng)業(yè)公司。科大訊飛最近也表示，將推出自己的工業(yè)四足機器人。
追覓科技的仿生四足機器狗 Eame One
與當年 Asimo 踩高蹺似的行走姿態(tài)不同，更小巧精準的傳感器、更強大的動力關(guān)節(jié)、更好的建模方法等機器人移動技術(shù)的進步，讓機器人流暢行走成為可能，也推動四足機器人大步邁向應用市場。
追覓科技工業(yè)四足機器人最大行走負載（有效載荷）30kg，最大站立負載 60kg，可定制加裝專業(yè)模塊，智能分析發(fā)現(xiàn)設備、環(huán)境異常并及時告警。結(jié)合具體行業(yè)需求，可以搭載相關(guān)的設備，包括救援工具、喊話器、圖傳相機、補給品等，在復雜地形環(huán)境、惡劣環(huán)境甚至有毒有害等場景下工作，協(xié)助工作人員進行安防巡邏檢測、探測探索、公共救援等工作。
一、追覓工業(yè)四足的技術(shù)名片
基于自研核心部件，協(xié)調(diào)機器人四肢、取得良好平衡，并安裝了讓機器人知道「我在哪？我要去哪里？該怎么去？」的感知交互系統(tǒng)后，追覓科技的研發(fā)工程師們最終創(chuàng)造出了這款「能夠代表追覓科技廣義機器人技術(shù)實力」的工業(yè)級四足機器人。
由于四足機器人的商業(yè)化應用還比較少，缺乏標準化產(chǎn)品，電機主要由機器人公司自主設計或找伺服器廠商定制。而自主研發(fā)的伺服電機，正是追覓科技創(chuàng)新機器人產(chǎn)品重要的科技名片之一。追覓科技工業(yè)級四足機器人搭載的電機自重不超過 500g，額定力矩達到 2Nm，最大力矩 10Nm，電流環(huán)帶寬≥ 1.5kHz，可承受 180 ℃高溫，足以滿足工業(yè)場景作業(yè)需求。
和應用于吹風機、吸塵器的高轉(zhuǎn)速馬達不同，工業(yè)四足機器人需要在行走、奔跑甚至跳躍姿態(tài)之間不斷切換，電機一直處在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)快速切換狀態(tài)中，需要有較快的響應速度，這就要求電機轉(zhuǎn)動慣量小、重量輕，因此四足機器人的電機設計更側(cè)重高扭矩密度、高功率密度、轉(zhuǎn)動慣量小、響應速度快。
" 低速、大扭矩電機，再配合小減速比的傳動機構(gòu)，就能實現(xiàn)關(guān)節(jié)的快速力矩響應 "，追覓科技的研發(fā)人員告訴機器之心，低速大扭矩的電機會引發(fā)較多電機極對數(shù)和較高工作電流，這就對關(guān)節(jié)驅(qū)動器的性能和結(jié)構(gòu)的散熱性能，提出了更高要求。能夠做出兼顧這些綜合性能的伺服電機難度很高，而追覓科技已經(jīng)在該項機器人核心技術(shù)上占領了研發(fā)高點。
不止是電機，追覓科技還將自研能力拓展至機器人的膝關(guān)節(jié)。追覓科技自研伺服關(guān)節(jié)包含 60 多個零件，關(guān)節(jié)內(nèi)部還集成了高速端與低速端兩個絕對值編碼器，無論機器人的初始姿勢如何，都可以在任意位置姿態(tài)下上電，恢復正常工作，體驗感更優(yōu)。
而之所以選擇自研關(guān)節(jié)，上述產(chǎn)品經(jīng)理解釋稱 ——
首先，足式機器人對比其他形態(tài)機器人的核心優(yōu)勢在于其腿足形態(tài)的地形適應能力。因此在設計各種形態(tài)、尺寸、負載、成本等指標考慮時，需要推算出對伺服關(guān)節(jié)的特殊需求，這是足式機器人的核心技術(shù)。
另外，當前上游供應的成品關(guān)節(jié)，有時難以滿足特定需要；此外，從數(shù)量需求和成本層面考慮，每個四足機器人具有 4 條腿共 12 個關(guān)節(jié)，隨著將來機器人規(guī)模量產(chǎn)，自研能夠有效降低成本。
為了使機器人關(guān)節(jié)輸出足夠大的扭矩，往往需要增加減速器，它也是工業(yè)機器人三大核心部件之一。追覓科技減速器的設計采用了行星及其衍生的行星傳動類型，其中，負責傳遞載荷的傳動件采用了具有優(yōu)秀淬透性的高強度鉻鋼，結(jié)構(gòu)部分采用了鋁合金和鎂合金。
" 鎂合金成本更高，但重量會比鋁合金材料的輕 1/3，這帶來的好處就是 —— 整機更輕，機器人的續(xù)航能力更強；此外，慣性更小，響應速度會更快，機器人的身體控制也會更加穩(wěn)定。" 上述研發(fā)人員進一步解釋道。
值得注意的是，在膝蓋的關(guān)節(jié)設計上，追覓科技之前推出的 Eame One 采用四連桿結(jié)構(gòu)來控制小腿伸縮，現(xiàn)在這款工業(yè)級四足機器人則采用了絲杠傳動。
技術(shù)層面上，絲杠傳動配合一定長度的力臂，可帶來很大的減速比，滿足工業(yè)級四足機器人負載大的要求。而且，與減速器方案恒定的傳動速比不同，絲杠加連桿的傳動速比在整個膝蓋運動范圍內(nèi)是非線性的，利用這一特點，結(jié)合仿生學的特性，追覓科技設計出了特定的速比曲線，在增強電機負荷能力的同時，提高了運動速度。
從成本方面來看，為了實現(xiàn)較大傳動比（一般 20：1 以上），機器人關(guān)節(jié)電機通常使用諧波減速器。但諧波減速器成本高，后期維修難度也較高。追覓科技采用了更優(yōu)的組合方案能顯著降低成本。
仿生四足機器狗 Eame One，腿部傳動采用四連桿結(jié)構(gòu)，控制小腿的伸縮。
除了核心硬件，敏銳的感知交互系統(tǒng)也是追覓科技這款工業(yè)級四足機器人另一張亮眼的技術(shù)名片。
與掃地機器人所處的家庭場景不同，工業(yè)級四足機器人的作業(yè)環(huán)境更加復雜 —— 不僅地形更加多變，還要面臨上下樓梯、爬坡等挑戰(zhàn)。自由度也從平面運行空間的 3 自由度變成了現(xiàn)在的 6 自由度，對機器人構(gòu)建三維空間地圖并依據(jù)先驗地圖進行高精度連續(xù)定位，提出了更大的挑戰(zhàn)。
比如，要想順利爬樓梯、跨越障礙，就要對周圍環(huán)境實時建圖，然后由導航規(guī)劃算法判斷出機器人最佳落腳點。" 無論是判斷樓梯高度，還是落足點的規(guī)劃策略，都經(jīng)過了研發(fā)團隊上千次的實驗與測算 "。追覓科技的一名工程師如是說道。
工業(yè)級四足機器人應用示意
在局部地圖構(gòu)建中，追覓科技的研發(fā)人員給機身配備了環(huán)視深度相機。深度相機利用 TOF（光線飛行時間）技術(shù)，能在傳統(tǒng)二維 RGB 成像基礎上生成近距離、高精度三維點云信息，結(jié)合坡度、跨高、崎嶇度以及機器人自身運動局限性等屬性，機器人即可獲取局部可通行地圖，安全跨越障礙。
在全局地圖的構(gòu)建上，追覓科技的工業(yè)級四足機器人用到了機械旋轉(zhuǎn)多線激光雷達，具有水平方向 360 度視場角，實現(xiàn)場景的三維點云地圖構(gòu)建，為四足機器人與環(huán)境的精細交互作業(yè)提供基礎。
工業(yè)環(huán)境往往充滿各種電、磁、光，會對各類傳感器造成不同程度干擾，導致相機圖像模糊、GPS 信號丟失、磁力計失靈等。為了保證機器人實時局部定位和全局定位的精度和魯棒性，追覓科技的工業(yè)四足機器人采用了多傳感器信息融合技術(shù)，即使某些傳感器暫時性宕機，SLAM 以及自主導航避障系統(tǒng)仍能正常工作。
工業(yè)級四足機器人應用示意
為了讓工業(yè)級四足機器人在泥土沙地、大坡小坎、植被叢生等環(huán)境下穩(wěn)健行走，以及上下樓梯、鉆入狹窄空間時如履平地，追覓科技采用了一種將全身力控制（WBC）和模型預測控制（MPC）相結(jié)合的控制器。魯棒性、動態(tài)性能好，抗擾動性強，與工業(yè)場景具有天然適配性。
從負載能力上看，追覓科技的這款工業(yè)級四足機器人最大行走負載（有效載荷）可達 30kg，最大站立負載 60kg。" 我們在前期設計時就反復校驗了設計指標，在關(guān)節(jié)性能設計上已經(jīng)考慮了后期作業(yè)中的負載特性，讓算法和物理關(guān)節(jié)有機融合，使得機器人能夠輕松掌控不同動態(tài)作業(yè)需求。" 上述追覓科技研發(fā)工程師補充道。
二、供應鏈與制造的力量
馬斯克曾將現(xiàn)代工廠的建立，視為特斯拉成為一家真正汽車公司的標志。戴森創(chuàng)始人確信「生產(chǎn)線和工廠是浪漫的地方，它們真的很讓人興奮」。
在中國工業(yè)實力最強的三大城市之一蘇州，追覓科技建造了智能工廠，能夠滿足機器人核心零部件的生產(chǎn)到組裝的一整套需求。
追覓科技智能工廠
對于科技企業(yè)而言，擁有突破性創(chuàng)新僅是第一步。能否擁有技術(shù)工程化的能力，將創(chuàng)新技術(shù)落地應用量產(chǎn)，考驗的是企業(yè)制造和供應鏈能力。
或許，這也是為什么馬斯克在其人形機器人 " 擎天柱 " 原型機剛亮相之時，就敢預測，3-5 年后，人們可以訂購 2 萬美元以內(nèi)的人形機器人。機器人有很多零部件是通用的。特斯拉的人形機器人傳動之所以采用滾珠絲杠，正是考慮到了與其汽車業(yè)務線的協(xié)同和量產(chǎn)。
在伺服電機的研發(fā)環(huán)節(jié)上，追覓科技不僅具有相關(guān)的研發(fā)、設計人才，還有完善的研發(fā)與檢測流程。追覓科技的智能工廠擁有 12 條智能化數(shù)碼無刷電機生產(chǎn)線，同時追覓科技還有 2.5 萬平米實驗室和測試區(qū)域，為四足機器人的大批量生產(chǎn)制造、規(guī)模化應用提供了有力支撐。
追覓科技智能工廠
同樣，追覓科技在消費端機器人的零部件供應鏈，也可以復用到產(chǎn)業(yè)端。追覓科技上述產(chǎn)品經(jīng)理介紹稱，以關(guān)節(jié)模組、傳感器組件為例，追覓科技工業(yè)級四足機器人的很多零部件，或是與消費端通用，或是同一廠家出產(chǎn)的不同型號。同時，基于追覓科技在消費端積累的議價能力和成本管控能力，追覓科技這款工業(yè)級四足機器人在未來規(guī)模化量產(chǎn)時，會更加具備價格競爭力。
目前，追覓科技已經(jīng)具備完整的機器人產(chǎn)品設計、研發(fā)、生產(chǎn)制造能力，能夠保障產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定可靠。
綜合來看，消費類機器人量產(chǎn)需求帶來的產(chǎn)品管控能力構(gòu)成了追覓科技的長板，將制造和供應鏈能力長板能力以及技術(shù)成功經(jīng)驗轉(zhuǎn)移到 B 端，追覓科技為四足機器人的產(chǎn)業(yè)化應用帶來了新的可能。
三、「跨界」工業(yè)四足機器人的背后
追覓科技聚集了一群熱愛技術(shù)的極客，他們有著自己獨特的思維方式 —— 如果想要看到事物本質(zhì)（比如，到底什么是機器人）時，不妨拆分它們，直至它們被拆分至最小單元，即 " 第一性原理 "。
因此，追覓科技對廣義機器人的定義并不在于其形，而是聚焦在了最小變量、最基本元素 —— 機器人的傳感、處理與執(zhí)行。從創(chuàng)立之初，追覓科技便持續(xù)深耕廣義機器人的底層技術(shù)：一方面做執(zhí)行器件，將高速數(shù)字馬達做到行業(yè)領先水平；另一方面加強機器人的傳感處理能力，比如 AI 算法對視覺信息數(shù)據(jù)的處理。
從這個邏輯出發(fā)，追覓科技在智能清潔機器人領域取得的成績，可以看作是機器人的核心能力在具體應用端的驗證。就像戴森的氣旋分離器只是其應用于吸塵器產(chǎn)品的第一項核心技術(shù)，但戴森從未將自己定義為一家吸塵器公司。
或許，我們可以借由戴森的技術(shù)路徑去理解追覓科技這類技術(shù)驅(qū)動型公司在業(yè)務上 " 不拘一格 "。對于戴森來說，吸塵器只是邁出的第一步。他們一直專注于開拓核心技術(shù)，并靠這些技術(shù)在越來越多的領域延伸出更好的產(chǎn)品 —— 從干手器、吹風機、空氣凈化器等家電，一直「跨界」到機器人、AI、電動汽車甚至農(nóng)業(yè)。
追覓科技每年研發(fā)投入占比約 10%，技術(shù)人員占比超 70%，逐步構(gòu)建起數(shù)字馬達、SLAM 算法、機器人控制、流體力學等核心技術(shù)圖譜。截止至 2022 年 11 月底，追覓科技全球累計申請專利達 3096 件，其中發(fā)明專利申請多達 1141 件，PCT 申請 228 件，已累計獲得授權(quán)專利 1640 件。其中，廣義機器人方面的專利布局累計 200 多件，涉及電控、傳動、感知等多個核心技術(shù)點。
對應 " 廣義機器人 " 理念，追覓科技的研發(fā)體系分為上、下兩層 —— 下層瞄準穩(wěn)定根基的技術(shù)積累，比如高速數(shù)字馬達、室內(nèi)場景的機器視覺、語音交互等；上層則設置多個創(chuàng)新研究院，負責基于核心技術(shù)、供應鏈的創(chuàng)新技術(shù)，研發(fā)創(chuàng)新性的產(chǎn)品。上下兩層技術(shù)共享，線性傳承，相互賦能。
" 我們在掃地機器人領域積累了深厚的 SLAM 技術(shù)，具備非常優(yōu)秀的地圖管理系統(tǒng)，包括語義地圖自動分割、多地圖的管理、自主回充技術(shù)等 "，上述追覓科技研發(fā)人員介紹稱，通過適配數(shù)據(jù)接口部分，能夠快速將這些技術(shù)移植到工業(yè)級四足機器人上，實現(xiàn)不同品類產(chǎn)品間技術(shù)的互通互用，避免重復造輪子，加速新品的應用落地。
四、反哺與升維
當我們將目光從廣機器人的「詩和遠方」，拉回到眼下競爭日趨激烈的家用清潔產(chǎn)品賽道時，發(fā)現(xiàn)追覓科技的發(fā)展路徑，或許能夠給智能清潔行業(yè)帶來新的增長啟發(fā)。
" 我們通過對技術(shù)指標要求更高的工業(yè)場景，積累更多的核心技術(shù)高點，這些技術(shù)高點又可以復用至我們的 C 端產(chǎn)品，在家用產(chǎn)品上取得創(chuàng)新突破 "。
當前，掃地機器人這類家用服務機器人仍有較長的進化之路要走。它們只能在相對可控、合理的條件下工作，無法越過 2.5cm 以上的障礙物。它們雖然也能繪制和學習家庭地形，但還是會被一些預期之外的東西搞懵。
這些都需要環(huán)境感知、語義理解等能力的突破。四足機器人是穩(wěn)定行走的平臺，工業(yè)應用場景的地形、環(huán)境往往更加復雜。基于 WBC 算法構(gòu)建機器人全身行走與執(zhí)行的穩(wěn)定性及狀態(tài)估計算法，提高了機器人在崎嶇地形與外界沖擊擾動下運動的穩(wěn)定性和自適應性，從而提升在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的適應能力，能夠?qū)崿F(xiàn)上下樓梯，越過障礙物等行走方式。對于大體積障礙物或垃圾，擁有機械臂的足式機器人，可以執(zhí)行推開，抓取等處理方式。
" 在未來，可以從四足機器人的特征物體檢測識別、抓取運動規(guī)劃、執(zhí)行機構(gòu)的設計等經(jīng)驗，轉(zhuǎn)化出小型低成本的簡易機械臂設計方法與智能控制算法，遷移至掃地機器人，解決垃圾拾取、收納整理物品等更多家政服務難題 "，追覓科技的產(chǎn)品經(jīng)理介紹稱。
當然，新技術(shù)的首次推出，也往往伴隨著高昂成本和 C 端用戶難以企及的價格。這也是為什么創(chuàng)新技術(shù)往往會最先在支付得起高昂技術(shù)成本的工業(yè)領域啟用。技術(shù)成熟、成本下降之后，最后才演變?yōu)橄M品。
戴森研發(fā)出數(shù)字馬達時，由于電子電路太貴，數(shù)字馬達的價格是傳統(tǒng)馬達的五倍以上，戴森等待新技術(shù)成本降下來后，才將其用到所有吸塵器產(chǎn)品上；同樣一架無人機的售價曾經(jīng)高達數(shù)百萬美元，而且用途有限，直到研發(fā)人員找到用多個協(xié)同旋翼讓小型飛行器懸停的方法后，隨著價格的急劇下降，無人機才被廣泛用于攝影、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、物流、航空測量等領域。
有機器人行業(yè)人士認為，足式機器人已經(jīng)走上類似無人機的道路。據(jù)了解，追覓科技這款完成研發(fā)的工業(yè)級四足機器人，成本上已低于傳統(tǒng)機器人，在安防、巡檢、救援、勘察、測繪等場景下顯露出更加清晰的應用可能。
工業(yè)級四足機器人應用示意
從創(chuàng)立的第一天起，這家公司就將貝爾實驗室、臭鼬工廠放在了內(nèi)心深處殿堂般位置 —— 想要造出代表未來的機器，鼓勵每一個人大膽實驗、創(chuàng)新、解決問題，善于將技術(shù)與豐富的制造經(jīng)驗相結(jié)合，施展強大創(chuàng)造力，去實現(xiàn)目標。
追覓科技也從來沒有把自己定位為一家小家電公司或智能清潔產(chǎn)品公司，而是把自己定位為一家廣義機器人公司，并逐步朝著廣義機器人生態(tài)演進，讓機器人技術(shù)更加深度地服務家庭和社會，同時在這過程中，孕育出百億、萬億級商業(yè)想象力。
用追覓科技創(chuàng)始人俞浩的話來說，" 我們的最終目標是想做一些面向未來，能促進生產(chǎn)力提升十倍、百倍的事，用科技推動人類社會與文明的進步…… 我覺得機器人是非常棒的，它代表了一種人類之光的方向，能帶來社會進步 "。
