项目来了｜一双机器人“灵巧手”背后的创新密码

项目来了｜一双机器人“灵巧手”背后的创新密码

  轻松搅拌饮料、搬抬货物、进厂进行仔细的检测和分拣工作……人形机器人这般“麻溜”的动作，不能离开一个重要部件——灵巧手。

  作为机器人与环境交互的末端执行器，“灵巧手”是实现智能机器人技术变革跃迁的关键突破口。在中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”），有一支年轻的团队，他们每天都和“手”打交道，目的是让人形机器人的“手”更灵巧。近日，深圳先进院这支团队与深圳市兆威机电股份有限公司（以下简称“兆威机电”）成立了“灵巧手智能系统创新联合体团队”（以下简称“创新联合体”），共同研发具有自主学习能力的灵巧手智能系统。

  “目前我们的合作已经获得了初步成果，比如灵巧手能够在50秒内实现‘位置到达任务’的自主学习，而业界常用的自主学习算法需要数小时训练也难以实现。”作为创新联合体主任、深圳先进院副研究员崔允端告诉记者。

  2015年4月1日凌晨三点半，已经一周没有好好睡觉的崔允端发了一条微信朋友圈：“生活总是充满喜悦，凌晨三点实验终于成功！”让崔允端激动的是他第一次用自学习算法学会控制“灵巧手”的一根手指。自2014年起，崔允端就从事强化学习的相关研究，这是AI领域内通过智能体与环境交互自主学习复杂控制任务的重要技术。

  2016年，经过一年多的积累，在崔允端提出的强化学习控制算法的驱动下，“灵巧手”从零开始，仅通过两个多小时的探索学会了拧瓶盖的动作。这项工作获得了IEEE国际人形机器人会议最佳论文奖。“在当时，机器人已经能够展示走路、跑步、后空翻等动作，但让机器人“灵巧手”不依赖人类的先验知识，自主探索学会拧瓶盖这样的动作还是相当困难的。”崔允端回忆。而这也为他组建团队打下了基础。

  2020年，崔允端加入深圳先进院，并组建了自己的团队。2022年底，大模型ChatGPT横空出世，AI技术发生质的变革，为人形机器人产业打开了新的可能性，众多企业争相布局人形机器人赛道。兆威机电就是这里面之一。

  “我们最开始是做电机齿轮，公司擅长的是电机和驱动，但是对于人形机器人的自学习功能和算法系统，这是我们不擅长的领域。刚好我们不难发现到深圳先进院有做神经网络自学习功能的团队，所以当时就找到了他们团队。”兆威机电副总经理李平在接受记者正常采访时表示。

  我们前几年积累了不少“灵巧手”方面的控制算法功能，但是硬件这块是我们缺少的，对于普通科研机构来说，如果要对灵巧手的硬件进行调试、维修，成本过高了，而我们在自学习算法上有一些优势，兆威机电能够给大家提供硬件，双方优势互补。”崔允端还表示，在创新联合体成立当天，兆威机电就直接带了一只1.0版的“灵巧手”过来。“真的是深圳速度，合作当天就直接把‘灵巧手’带来开展工作，现在企业也会有专门的人驻点在我们团队里，方便随时沟通和解决实际问题。”崔允端说。

  “灵巧手”作为具身机器人与环境交互的末端执行器，是深度仿生、柔性感知、微机电系统、高性能材料等前沿技术交叉融合的集大成者。如何让“灵巧手”更接近人手、达到心灵手巧的状态？其中一大重要的条件是自由度的数量。

  “一般来说，自由度高灵活性也更高。我们的灵巧手通过仿生学原理，设计单手具有最多17个主动自由度的灵巧手，模拟人手的复杂动作，基本接近人单手22个自由度的状态，可以让手更灵活、精度更高。”兆威机电首席电控专家、博士陈毅东在接受记者正常采访时表示。

  不过，陈毅东也坦言自由度并非越多越好。“在许多应用场景中，并不一定需要极高的自由度，例如简单的抓取任务可能只需要少数几个自由度就能完成。增加自由度会增加机械设计和控制管理系统的复杂性，这可能会引起系统更难设计、构建和维护。”陈毅东表示，自由度的设计需要在提供足够的灵活性和实际应用需求之间找到平衡点，设计者应该要依据机器人预期的应用场景来决定最佳的自由度数量。

  具体来说，每只“灵巧手”由五根手指组成，一根手指有三个关节，每个关节有1个自由度，其中还有两个自由度分布在食指的左右两边，负责左右水平运动。

  “让‘灵巧手’指左右摆动比上下摆动的难度要大很多，左右摆动往往需要更高的精度和更精细的控制，而且为实现左右动，在大多数情况下要在每个关节上增加额外的电机，这会导致成本明显地增加，这也是我们后续要突破的难点。”陈毅东表示。

  如果说电机和自由度为“灵巧手”搭建了硬件载体，那么算法和感知是决定“灵巧手”能“丝滑”完成动作的关键。

  “我们目前看到的很多‘灵巧手’干起活来都有点‘磕磕绊绊’，原因是机器人的感知能力和人手相比还远远不足。”崔允端坦言。“比如转笔这一个动作，人是能够感觉到笔的重心和加速度，这种感知使得我们也可以调整动作以保持笔的旋转。然而，对于机器人来说，要实现这种感知和控制是十分艰难的。”崔允端说。因此，机器人需要将这些动作量化成具体的数学模型，以便算法能够理解和执行。“我们后续也会研发电子皮肤，让灵巧手更好感知接触的力度、温度、滑动等。”

  此外，灵巧手控制算法的自主学习能力也十分关键。“基于动作编程让机器人去抓一种物体不难，但是应对形状、大小不同的海量物体、型号各异的不同‘灵巧手’设备和充满各种变量的应用场景，逐一设计动作的成本高昂，难以形成产品。我们大家都希望能提高机器人“灵巧手的”自主学习能力和感知判断能力，让机器人学会抓取一种物体后，下次能够“举一反三”，快速学习抓取类似形状的物体，同时对于硬件设备和应用环境均具备良好的泛化能力。”崔允端表示。

  目前，创新联合体研发的“灵巧手”能够50秒完成“位置到达任务”，而传统的自主学习算法在大多数情况下要1.6小时。该算法强调了算法的高效率，使得机器人能够在极短的时间内适应新环境。

  “我们接下来将会发布创新联合体研发的新一代‘灵巧手’。目前这款产品已经经过一段时间的研发和测试，进入最后的准备阶段。”李平透露。

  价格方面，目标定价在5万元人民币左右。“希望随技术的成熟和市场的扩大，能逐步降低成本，长远目标是将产品价格降至2-3万元人民币，甚至更低。”李平说。

  在千行百业智能化转型的巨大需求牵引之下，全球机器人市场规模持续增长。灵巧手则是实现智能机器人技术变革跃迁的关键突破口。中商产业研究院分析预测，2024年全球机器人灵巧手市场规模将达17.06亿美元，2030年全球机器人灵巧手市场规模将突破30亿美元。

  深圳提出，将打造全球智能机器人灵巧手技术创新策源地、高端制造集聚地、集成应用示范地。

  “深圳为灵巧手产业高质量发展提供了很好的创新生态和完备的制造业体系，未来我们充分的发挥创新联合体的优势，一同推动灵巧手技术的发展。”崔允端说。

  谈及创新联合体未来目标，崔允端表示，未来将继续携手兆威机电进行灵巧手的研发，提升其灵活性和智能化水平。在成立第一年，确定最优的自主学习算法方法，提高机器人手的自我学习能力，初期聚焦于工业应用，如生产线上的作业员辅助、执行取放物料、简单组装等任务。

  未来计划将“灵巧手”的应用拓展到家庭服务领域，如做家务叠衣服、洗碗、照顾老人等。同时，通过创新联合体的项目培养人才，满足行业对高品质人才的需求。

  “具身智能才起步，而‘灵巧手’正好是具身智能最重要的部件之一。”在崔允端看来，近年来，具身智能成为了备受市场关注的火热赛道，但越是在这样市场情绪高涨的时刻，越需要保持定力。“我们要做的就是专注做好自己的事情，一步一步来，在市场有变化的情况下我们依旧能保持生存下来的能力，然后坚持到最后。”崔允端说。