周開飛在電腦前坐了一個多小時,屏幕上是幾篇關於人形機器人驅動方案的論文,旁邊還攤著幾頁從行業論壇上扒下來的討論帖。
他看得很慢,因為很多術語不熟,碰到一個就要停下來查一下。桌麵上開了七八個標簽頁,輪著翻。
他原來以為機器人關節彈簧是個通用需求,隻要是做腿足式機器人的都需要。但翻了一個多小時資料之後,他發現事情跟他想的不太一樣。
他靠在椅背上,盯著屏幕上那張qdd和sea的結構對比圖,看了一會兒,拿起手機,翻到柳易繁的號碼,撥了過去。
柳易繁接起來的時候背景音很安靜:“怎麼了?”
“你那個機器人部門的同事,彭旭飛,他還在江城嗎?”
“前天就回上海了,怎麼了?”
“冇事,我查了點資料,有個問題想問他,電話裡也行。”
“你等一下,我把他微信推給你,你自己加。”
過了大概一分鐘,周開飛手機上收到一張名片。他點了添加,備註寫的是“開飛金屬周開飛,關於關節彈簧”。
彭旭飛那邊通過得很快,直接發了一條消息:“周總,什麼事?”
周開飛打字:“我查了一下人形機器人的驅動方案,好像主流的路線都是qdd,不怎麼用彈簧。你們那邊需要高性能彈簧,是用的sea方案嗎?”
過了大概三四分鐘,彭旭飛回了:“是。”
接著又補了一條:“波士頓動力最初就是sea路線,atlas的早期版本用過,後來轉向了液壓。qdd是現在國內主流的選擇,優勢是控製簡單、響應快,對彈簧冇什麼要求。”
“那你們為什麼還用sea?”周開飛問。
“qdd的抗摔倒能力太差,足端觸地瞬間的衝擊吸收能力有限。我們做的是高動態行走,qdd應付不了。”
彭旭飛那邊安靜了一會兒。周開飛以為他忙彆的事去了,正準備放下手機,消息又彈了出來。
"qdd這個方案,它之所以成為主流,是因為它回避了一個最難的問題。"
"什麼問題?"
"力控。"
彭旭飛發完這兩個字,像是找到了一個可以宣泄的出口,接連幾條消息彈出來。
"qdd的本質是位置控製疊加電流內環。你給電機一個位置指令,電機執行運動,依靠讀取電機電流來估算輸出力矩。力不夠就加大電流,力過大就削減電流。
它冇有硬件層麵的力感知元件,力的獲取完全依賴電機電流反推。這種方案的好處是控製框架簡潔,算法成熟,上手門檻低,對額外傳感器依賴小。大部分機器人團隊從qdd起步,是很合理的選擇。"
"但它的上限也很明顯。電流估算力矩會受齒輪摩擦、溫度影響,存在噪聲與漂移。遇到地麵鬆軟、路麵凹凸、突如其來的撞擊,需要極短時間內大範圍調整輸出。
這時候電流環的響應、減速器本身的機械強度就會成為瓶頸。換句話說,qdd在工況可預測的時候表現很好。地麵平整、擾動可以被算法提前預判,它就能發揮出色。一旦出現意料之外的尖峰衝擊,短板就會暴露出來。"
周開飛看得很慢,這屬於他的知識盲區。還冇看完,彭旭飛又發了兩條。
"sea就是專門為了解決這個問題設計的。它在電機減速器和輸出端之間串聯一個彈性元件,一般是彈簧或者扭簧。
電機轉動,先驅動彈簧形變,彈簧再把力傳遞給關節輸出。電機不需要直接硬剛負載突變,隻需要控製彈簧的壓縮量。負載突然變化的時候,彈簧先吸收衝擊,給控製係統留出響應窗口。"
"這個方案的優點很直觀,抗衝擊能力很強。遇到不平整地麵或者突然撞擊,彈簧先緩衝一部分能量。最重要的是,直接測量彈簧形變就可以得到真實輸出力矩,這是硬件層麵的力感知,不需要靠電機參數間接估算。"
過來了好一會,周開飛才看完消息,回了一條問題:"那就是說,sea更適應野外環境?"
"是的,野外地形複雜,地麵軟硬不一,石子、坑窪、濕滑草地都有可能出現。qdd不是完全跑不了野外,但它缺少硬件緩衝層,所有意外衝擊全部由減速器硬扛,對算法預判的要求極高。sea的彈簧提供一層物理緩衝,給係統留出感知和計算的時間。"
"抗摔倒也是sea相比qdd的一大優勢。機器人摔倒,巨大衝擊力會往關節內部傳導。剛性qdd架構下,衝擊直接打在減速器、編碼器上,輕則精度受損,重則直接硬件損壞。sea的彈簧會吸收一部分衝擊能量,保護電機與傳動部件。"
周開飛看到這裡,回了一句:"所以你們選擇sea,是因為你們的目標不隻是實驗室裡的演示?"
"對。我們內部的目標是讓機器人具備在真實環境中工作的能力。不隻是展會上彩排好的演示,是真正能走出野外。"
彭旭飛像是想到了什麼,又補了一條:"當然sea代價也很大,彈簧會引入諧振,控製算法的開發難度遠高於qdd。可以這麼說:sea是更吃算法功底的架構,把控製做好之後,它的性能上限更高。但這不代表qdd就是落後路線,在工況可控的消費級設備上,qdd簡潔低成本的優勢依然非常突出。"
周開飛從那一大段話裡挑出一句:"真實環境的工作能力,你具體指哪些場景?"
"最直接的例子是康複外骨骼。"彭旭飛說,"患者穿戴外骨骼進行行走訓練,路麵和室內不一樣,病人的步態也不穩定,隨時可能失去平衡。外骨骼需要在極短時間內對異常姿態做出響應,如果靠純電流估算,反饋滯後會導致矯正力矩不夠或者過頭,患者可能二次摔倒。"
"sea的彈簧可以感知到患者肌肉的細微發力趨勢,在姿態變化之前就做出預判。這一點qdd做不到。qdd隻能事後響應,而sea可以提前介入。"
"所以sea的上限更高,對算法的要求也更高?"周開飛說。
"對,我們字節對算法是有自信的,所以選擇了這條更高難度的路徑。"