前言：一點(diǎn)思考

外骨骼機(jī)器人和人形機(jī)器人都曾隨著一些爆品的出現(xiàn)火熱過(guò)一段時(shí)間，但總感覺(jué)當(dāng)前技術(shù)條件還不成熟，真正能落地的應(yīng)用場(chǎng)景不多。馬斯克在擎天柱發(fā)布會(huì)上被問(wèn)到人形機(jī)器人的落地與前景問(wèn)題時(shí)并沒(méi)有給出明確答案，只是用“The future is interesting, it won’t be boring”搪塞過(guò)去。

機(jī)器人是人工智能和機(jī)器的結(jié)合，發(fā)展機(jī)器人有兩條路徑，以家用電器機(jī)器人化為代表的人格化發(fā)展路徑和以通用人形機(jī)器人為代表的物化發(fā)展路徑。人類有種本能，既熱衷于物化同類，也熱衷于人格化異類。這兩條路徑的平衡點(diǎn)在哪里？通用人形機(jī)器人是否是打通萬(wàn)物互聯(lián)末端路徑的理想選擇？

以智慧家居/家電和家用人形機(jī)器人為例，如果智慧家居場(chǎng)景足夠成熟，還需要人形機(jī)器人來(lái)代替人去享用那套場(chǎng)景嗎？如果人形機(jī)器人足夠強(qiáng)大，那還有發(fā)展智慧家居的必要性嗎？《家用電器機(jī)器人化設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中明確了家用電器機(jī)器人化的5個(gè)發(fā)展階段，R0階段不具有智能化功能，R4階段則已經(jīng)到達(dá)自主機(jī)器人化階段，能與人和諧共生共融。R4階段的家用電器和智慧家居場(chǎng)景下，還需要人形機(jī)器人這一形態(tài)的家電嗎？或者說(shuō)那時(shí)候的家電都是專用機(jī)器人，通過(guò)多機(jī)器人協(xié)同共同打造以人為本的智慧家居場(chǎng)景。

似乎外骨骼機(jī)器人才是更理想的一種拓展人類能力的工具。這個(gè)發(fā)展方向是必然的，只是當(dāng)下還看不到成熟的落地場(chǎng)景，原因也有很多，下文會(huì)詳細(xì)分析。

一、外骨骼機(jī)器人

1. 典型外骨骼機(jī)器人

（1）美國(guó)EKSO

上肢外骨骼機(jī)器人，類似于有源背背佳，能消除與工作有關(guān)的脖子、肩膀、背部的傷害。

（2）以色列ReWalk

下肢康復(fù)機(jī)器人，有強(qiáng)大的中央處理系統(tǒng)和高精度傳感器，系統(tǒng)能通過(guò)檢測(cè)重心位置的細(xì)微變化控制運(yùn)動(dòng)，模仿使用者習(xí)慣的自然步伐，為用戶提供適合的行走速度。

2. 應(yīng)用領(lǐng)域

軍用。美歐日中俄都在開(kāi)發(fā)研制，基本還沒(méi)有成熟產(chǎn)品。這方面需求很大，只是技術(shù)性能和可靠性還達(dá)不到要求。軍事領(lǐng)域的外骨骼未來(lái)只會(huì)不斷突破，成為類似頭盔一樣的必備裝備，不會(huì)出現(xiàn)衰落的可能。
醫(yī)用。使用設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)較高，只有固定坐臥式、被動(dòng)康復(fù)這類簡(jiǎn)單可靠、安全可控、保養(yǎng)維護(hù)簡(jiǎn)單的設(shè)備，醫(yī)院才敢放心使用。醫(yī)療康復(fù)設(shè)備需要獲得醫(yī)療器械注冊(cè)證和醫(yī)療器械生產(chǎn)許可證才能生產(chǎn)與銷售，門檻較高，申報(bào)認(rèn)證和審批過(guò)程復(fù)雜、時(shí)間漫長(zhǎng)，且一旦審批認(rèn)證，無(wú)法常規(guī)地修改迭代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能、部件、材料，極大限制了科技公司研發(fā)醫(yī)療康復(fù)型外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品的積極性。醫(yī)療外骨骼也難以列入醫(yī)療保險(xiǎn)服務(wù)目錄。雖然醫(yī)療外骨骼技術(shù)上可行，但研發(fā)成本高、周期長(zhǎng)、獲取認(rèn)證困難大、迭代升級(jí)慢，目前仍處于艱難探索階段。從國(guó)外上市多年的醫(yī)療康復(fù)外骨骼公司的發(fā)展與股價(jià)可得到驗(yàn)證。
工業(yè)。搬運(yùn)、抬舉。該領(lǐng)域需求已得到確認(rèn)，用途廣泛。目前工業(yè)外骨骼大部分還是無(wú)源，屬于機(jī)械或機(jī)電產(chǎn)品，不能算機(jī)器人，門檻低、用途窄、難以產(chǎn)業(yè)化。有源外骨骼機(jī)器人才會(huì)是未來(lái)發(fā)展的方向。
民用。輔助行走、運(yùn)動(dòng)助力。這應(yīng)該是未來(lái)最大市場(chǎng)，日本HONDA、韓國(guó)三星、中國(guó)深圳肯綮qing科技等。針對(duì)有較長(zhǎng)時(shí)間行走與站立的人群、老年人、行動(dòng)不便人士等。
娛樂(lè)。力反饋型可穿戴體感設(shè)備配合VR、AR可用作娛樂(lè)。

3. 缺陷

外骨骼機(jī)器人目前在康復(fù)醫(yī)學(xué)行業(yè)應(yīng)用較多，且側(cè)重神經(jīng)康復(fù)。但是事與愿違，雖然有龐大的受用群體，但產(chǎn)品很難與醫(yī)學(xué)結(jié)合在一起，有幾個(gè)問(wèn)題難以解決：
第一，產(chǎn)品的平衡問(wèn)題，即如何保證神經(jīng)損傷的患者以自然生理位行走。神經(jīng)損傷患者使用外骨骼機(jī)器人時(shí)，需要身體前傾，一旦直立定然會(huì)往后摔倒，這種癱瘓病人的摔倒很容易致死。為了避免摔倒，只能采用身體前傾姿勢(shì)。這又會(huì)帶來(lái)雙臂過(guò)渡承重的問(wèn)題。
第二，身體和機(jī)器的連接采用捆綁式，癱瘓人士的血液循環(huán)非常差，捆綁又會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生束縛和血栓問(wèn)題。
第三，穿脫不便，通常需要四五個(gè)人輔助。
第四，路面不平的問(wèn)題。當(dāng)外骨骼遇到門檻、斜坡、臺(tái)階，很容易摔倒。摔倒后也很難爬起來(lái)。
第五，康復(fù)意義沒(méi)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，對(duì)褥瘡、骨質(zhì)疏松、脊柱側(cè)彎、肥胖、心肺功能、泌尿系統(tǒng)、關(guān)節(jié)攣縮變形等都沒(méi)有確鑿的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。
第六，價(jià)格高，不太實(shí)用，電池續(xù)航不足，陀螺儀、控制器精貴，維修非常昂貴。
第七，外骨骼大部分傳動(dòng)零件處于低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，潤(rùn)滑油很難在零件表面形成油膜，對(duì)零部件磨損非常大。
第八，軍用意義目前不大，和導(dǎo)彈的面殺傷相比，外骨骼的性價(jià)比太低。長(zhǎng)途行軍可以配備機(jī)動(dòng)車輛，特殊地點(diǎn)可以通過(guò)直升機(jī)、無(wú)人機(jī)、專用機(jī)器人，都比外骨骼性價(jià)比高。

二、人形機(jī)器人

1、知名人形機(jī)器人

（1）ASIMO

2000年時(shí)，本田就做出ASIMO，它在當(dāng)時(shí)的知名度與如今的波士頓動(dòng)力機(jī)器人Atlas不相上下，代表了日本人形機(jī)器人最高水平，是機(jī)器人歷史上重要的里程碑之一。

（2） Cassie和Digit

Agility Robotics研發(fā)的腿足式機(jī)器人Cassie和人形機(jī)器人Digit。它們遵循一個(gè)最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型：由一個(gè)質(zhì)點(diǎn)連接到一對(duì)理想彈簧（腿）。所以該模型也稱作“彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型”。

（3）波士頓動(dòng)力Atlas和BigDog

（4）特斯拉Optimus

Optimus主要由機(jī)械部分和電子部分組成，機(jī)械部分包含28個(gè)執(zhí)行器和雙手，電子部分包含大腦和軀干（冷卻系統(tǒng)和電池包）。
執(zhí)行器采用減速機(jī)+電機(jī)的傳動(dòng)方式，減速機(jī)扭矩從20Nm到180Nm，電機(jī)力矩從500N到8000N，均采購(gòu)自減速機(jī)和電機(jī)頭部企業(yè)。
雙手搭載大量傳感器，可實(shí)現(xiàn)細(xì)微操作。
大腦搭載與特斯拉電動(dòng)車相同的FSD全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、感知計(jì)算單元和自主研發(fā)的算力極強(qiáng)的Dojo D1超級(jí)芯片。
軀干高度集成傳感器、電池組和冷卻系統(tǒng)。

2、關(guān)鍵技術(shù)

（1）雙足機(jī)器人步態(tài)算法

倒立擺（LIP）+零力矩點(diǎn)（ZMP）模型。該模型將機(jī)器人簡(jiǎn)化為一個(gè)倒立擺模型，整體控制的目的是使實(shí)際ZMP與參考ZMP位置誤差盡可能小。需要根據(jù)期望的ZMP位置（落腳點(diǎn)）計(jì)算出質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)情況和實(shí)際的ZMP位置，并反饋跟蹤ZMP位置。使用該控制方法要求機(jī)器人行走過(guò)程中質(zhì)心高度恒定，因此智能屈膝步行。該控制算法典型代表是本田的Asimo機(jī)器人、優(yōu)必選的Walker X。
該算法后來(lái)發(fā)展出一些變形，如Divergent Component of Motion(DCM)算法、Spatially Quantized Dynamics(SQD)算法，能實(shí)現(xiàn)更接近人類的直膝行走步態(tài)。
彈簧負(fù)載倒立擺模型（SLIP）。該模型的控制算法可濃縮為“三部獨(dú)立控制法”，將彈跳機(jī)器人復(fù)雜的控制解耦為三部分：高度控制、前進(jìn)速度控制、身體姿態(tài)控制。其中落腳點(diǎn)控制是“三部獨(dú)立控制法”中的關(guān)鍵點(diǎn)。該控制算法的典型代表是鴕鳥腿Cassie，以及帶上半身的Digit。但現(xiàn)在他們已經(jīng)主攻強(qiáng)化學(xué)習(xí)在雙足機(jī)器人的應(yīng)用，并取得很大成果。
此外還有基于非線性控制理論的Hybrid Zero Dynamics(HZD)方法、四足開(kāi)源控制算法Whole Body Control(WBC)、最初用于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的Model Predictive Control(MPC)方法。隨著強(qiáng)化學(xué)習(xí)的發(fā)展，其也被用于控制機(jī)器人步態(tài)，相比于傳統(tǒng)方法對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，強(qiáng)化學(xué)習(xí)可以通過(guò)蒙特卡洛抽樣進(jìn)行不斷試錯(cuò)，最終獲得最優(yōu)控制策略。

（2）傳感器、液壓元件、機(jī)電系統(tǒng)

待補(bǔ)充

3. 雙足機(jī)器人直膝行走的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有雙足機(jī)器人大多是屈膝步行，原因有如下幾個(gè)：

• 屈膝可降低機(jī)器人重心，提高穩(wěn)定性；
• 伸直膝關(guān)節(jié)的位置是一個(gè)奇異點(diǎn)，在該位置計(jì)算出的關(guān)節(jié)速度非常大，難以控制；
• 腳踝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)、腳底板的設(shè)計(jì)以及壓力傳感器的安裝方式等導(dǎo)致機(jī)器人的步相缺乏腳跟落地（heel-contact）和腳趾離地（toe-off）這兩個(gè)相位；
• 采用線性倒立擺相關(guān)控制策略時(shí)，要求質(zhì)心高度是恒定的，因此智能屈膝步行。

雙足機(jī)器人直膝行走比屈膝行走具有一些優(yōu)勢(shì)：

• 更仿人；
• 可充分利用機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)節(jié)省能量；
• 屈膝時(shí)步長(zhǎng)較短，沒(méi)有充分利用腿的長(zhǎng)度，直膝行走可提升步行效率；
• 直膝步行、Heel-Contact和Toe-Off可以有效增加步長(zhǎng)和提升步行的能量利用效率。

三、AGV、LGV、KIVA、AMR

AGV（Automated Guided Vehicle），自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車。上個(gè)世紀(jì)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)不發(fā)達(dá)，當(dāng)時(shí)的AGV都是在導(dǎo)引技術(shù)里迭代升級(jí)。

隨著移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，實(shí)體導(dǎo)引線逐漸被激光導(dǎo)航技術(shù)取代，通過(guò)高位反光板和定位激光雷達(dá)解決AGV精準(zhǔn)定位問(wèn)題，并在軟件中通過(guò)虛擬導(dǎo)引線代替地面實(shí)物導(dǎo)引線，這類技術(shù)又被成為軟導(dǎo)引AGV或LGV（Laser Guided Vehicle）。目前大部分無(wú)人叉車都屬于LGV。

LGV雖然不用在地面鋪設(shè)實(shí)體導(dǎo)引線，但其沿著虛擬導(dǎo)引線行使，不具備靈活避障和貼合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的路徑規(guī)劃能力，停等是其主要避障方法。
地標(biāo)AGV。亞馬遜KIVA機(jī)器人就是典型的地標(biāo)AGV，KIVA因大規(guī)模應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)揀選場(chǎng)景而被廣為人知。其核心技術(shù)是在地面鋪設(shè)地標(biāo)（如二維碼等），通過(guò)二維碼定位在地標(biāo)矩陣間移動(dòng)。基于離散地標(biāo)進(jìn)行定位導(dǎo)航，使得地標(biāo)AGV在路線選擇上更靈活，并具備更強(qiáng)的多機(jī)協(xié)同能力。但這類技術(shù)仍需要鋪設(shè)固定路徑信標(biāo)，設(shè)定特定運(yùn)行區(qū)域，且該類機(jī)器人通常只具備簡(jiǎn)單感知能力，無(wú)法應(yīng)用在人機(jī)協(xié)同作業(yè)場(chǎng)景。

AMR（Autonomous Mobile Robot）是指自主性強(qiáng)的移動(dòng)機(jī)器人，適用于人機(jī)協(xié)同作業(yè)場(chǎng)景，一般需要具備豐富的環(huán)境感知能力、基于現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃能力、全局定位能力等。與傳統(tǒng)AGV不同，AMR需要融合多種傳感器（激光雷達(dá)、深度攝像頭模組、超聲波等），具備深度感知能力，能通過(guò)SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）即時(shí)定位與地圖構(gòu)建技術(shù)，感知?jiǎng)討B(tài)復(fù)雜的環(huán)境，主動(dòng)基于實(shí)景規(guī)劃路徑。