人形機械人軟件工程：點樣保持平衡唔跌低？

機械工程師的機器人知識：人形機器人

今天，我們將深入探討一個聽起來像科幻小說的主題：看起來像人類的機器人。這是科技界最熱門的領域之一，但這些未來派的設備是如何建造的？驅動人形機器人的軟件又是什麼樣的？

在我們深入探討機器人技術的第二部分中，我們再次邀請來自麻省理工學院的機器人學習研究員Sandor Felber，他曾帶領一支團隊建造自駕賽車，並在加州的特斯拉實習，還曾是愛丁堡機器人中心的機器人研發工程師。想了解機器人的基礎知識，可以參考Sandor的文章《軟件工程師的機器人學》，其中介紹了當今機器人行業的概覽、項目如何進行等等。

今天的文章還包括代碼示例。我們將涵蓋以下內容：

為何選擇人形形狀？ 人形機器人具有多功能性，可以執行危險和重複的任務，利用人類生物力學研究等等。

硬件挑戰。 包括許多電氣工程和機械挑戰，其中一個被低估但難以解決的問題是過熱。

軟件工程挑戰。 平衡控制、狀態估計和實時控制是最大的挑戰。

給我看看代碼！ 實時機器人優化。為了了解為機器人編寫軟件的過程，我們解決一個優化問題來控制機器人。編寫機器人代碼的基本要求包括數學和優化算法的理解。

現實世界的優化技術。 初始條件的重要性、隨機梯度下降（SGD）及基於動量優化器的更智能梯度下降。

人工智能如何改變機器人優化。 優化人工智能的AI、強化學習（RL）、行為克隆（BC）、擴散模型和進化策略。

這是一篇客座文章。如果你有興趣為《務實工程師》撰寫深度報導並與Gergely合作，可以查看這裡以獲取更多詳細信息。

接下來，將時間交給Sandor。你可以在LinkedIn上關注Sandor，並在他的网站上了解更多他的工作。

1. 為何選擇人形形狀？

人形機器人旨在模仿人類的形狀和功能，是一種通用的物理表現形式，提供了顯著的優勢，無論是在為人類專門建造的空間還是在非結構化環境中。主要優勢包括：

– **無縫融入人類環境。** 人形機器人可以在為人類設計的空間中導航，例如門口、樓梯和雜亂的房間，而不需要對現有基礎設施進行修改。它們的人類尺寸和靈活性使其能夠在家庭、辦公室和公共空間中有效運作。

– **執行危險和重複的任務。** 人形機器人可以完成對人類來說危險或單調的任務，提高安全性和效率。在工業環境中，人形機器人可以處理危險材料並在不安全的環境中運作，降低對人類工人的風險。

– **利用人類生物力學研究。** 對人類運動的廣泛研究，特別是在康復機器人方面，提供了有關高效、自然的步態模式的見解。這使得人形機器人的控制系統能夠模仿人類的行走，從而提高適應性，並在以人類為中心的環境中更容易被接受。

– **增強人機互動。** 擬人化設計促進了與人類的直觀互動。它們熟悉的外觀和運動模式使其適合在客戶服務、醫療保健和教育等需要直觀、自然人機互動的角色中發揮作用。

– **多功能性。** 人形機器人能夠執行從家務到複雜工業操作的各種任務，使其在許多行業中成為多用途工具。它們的設計使其能夠在不需要專用設備的情況下適應不同角色，為複雜任務提供成本效益解決方案。

人形形狀提供了顯著的優勢，無論是在融入人類環境、執行危險和重複任務、利用人類生物力學研究、增強人機互動，還是提供多功能性等多個應用領域。這些優勢使得人形機器人成為將自動化引入日常生活的一個有前景的途徑。

在尋找最通用的機器人形狀的競賽中，人形形狀似乎沒有對手。機器人學家Benjie Holson在其文章《人形機器人：美元與GPTs》中解釋了為什麼現在如此多的人形機器人初創企業不斷湧現，並評估了一些背後的經濟考量。

以下是當今一些最知名的人形機器人。

2. 硬件挑戰

人形形狀為希望建造此形狀的機器人帶來了許多挑戰，而我個人也遇到過這些挑戰。人形機器人的穩定性不僅僅取決於軟件控制，還始於硬件設計。幾個因素影響著機器人維持平衡和有效應對擾動的能力：

– **執行器和關節柔性：** 高性能執行器（機器人的“肌肉”）需要足夠精確和反應迅速，以實時調整姿勢。穩定性直接受執行器控制系統帶寬的影響——它們對控制輸入的反應速度。如果執行系統設計不良，例如控制系統反應過慢或缺乏提供對抗擾動的力量，則恢復行為可能會延遲，這會使跌倒和損壞的風險增加。

– **腳的設計：** 這一點與人類一樣重要。多接觸點如腳趾、腳跟和較大表面邊緣可以實現更細微的平衡調整。

一些機器人使用柔性（橡膠化）或自適應鞋底來增強抓地力，防止打滑，特別是在低摩擦表面上。

– **重量分佈和質心（CoM）：** 較低的質心使機器人更穩定，而良好的肢體質量分佈則確保延展運動不會使系統失穩。一些機器控制系統集成了主動質量轉移（移動其他肢體或某些動物的尾巴），以動態調整質心，提高其在外部擾動下的恢復能力，或幫助增加載重。

– **傳感器和反饋系統：** 這些對於實時平衡調整至關重要。慣性測量單元（IMUs）檢測傾斜並幫助估算返回平衡狀態所需的修正。腳和腳踝中的力和扭矩傳感器提供地面反作用力數據，使精確修正成為可能。

如果在實驗室環境中運行，可以使用高速攝像機和深度傳感器，這些設備能夠提前進行平衡修正，幫助機器人在不穩定成為問題之前進行調整。我曾經使用過高速攝像系統，效果相當不錯，只要不阻礙3-4台攝像機的視線。

電氣工程挑戰

如何提供電力和儲存能量影響機器人的穩定性。從電氣工程的角度來看，人形機器人類似於高性能賽車和航天器：尺寸、重量、可靠性和可維護性在每一個工程設計決策中都是強有力的競爭約束。

如果執行器在需要時得不到足夠的電力，機器人可能無法執行恢復系統穩定性的關鍵操作。例如，人形機器人電池設計的一個重要考慮因素是能夠支持所有電氣元件在工作流程中同時達到的峰值負載。以下是一個示例硬件配置的概述：

另一個展示電動驅動人形機器人基本電氣架構相似性的例子是麻省理工學院的機器人，該機器人展示了一個由18個電機驅動的人形機器人的電氣規格和能力。

電容器組或高放電電池提供快速的電力爆發，以進行突然的修正，防止失去平衡。作為一個有趣的事實，遙控賽車很好地利用電容器組來保持平衡並提供額外的電力。

機械工程挑戰

機械阻尼和衝擊吸收通過減少衝擊力來提高機器人的穩定性。被動彈簧阻尼機制有助於平滑步伐並從突發力轉變中恢復，減少對過度主動控制的需求。

一些機器人（如1X的Neo）使用生物靈感的肌腱驅動系統，模仿人類肌肉的彈性，從而導致更符合人體的運動，因為慣性降低，運動也變得更安全。

良好的硬件減少了對軟件的負擔。擁有強大被動穩定性的機器人需要更少的主動修正，使整個系統在現實條件下本質上更高效和可靠。

材料疲勞是另一個挑戰。人形機器人在行走、舉重、平衡和從跌倒中恢復等操作下承受著不斷的機械壓力。每個動作都會引入循環載荷，隨著時間的推移導致材料疲勞。這並不是假設，實際的失敗事件會發生。最近，Nolan在一個四足機器人上測試了一個投擲動作，結果手臂在投擲過程中斷裂。

與工業機器人不同，工業機器人執行可預測、重複的動作，而像四足機器人這樣的移動機器人則經歷了更混亂的力量範圍，這使得耐用性變得更難以設計。

關鍵部件需要經受數百萬次循環而不會過度磨損。關鍵部件包括關節、執行器和其他承重結構。在高壓力區域（如膝關節）輕微變形會隨著時間的推移累積並降低性能，最終導致機械故障。工程師通過高強度合金、定制碳纖維模具和生物靈感的複合材料來解決這一問題，並結合預測性維護和優化設計。但代價是，更多耐用的材料可能難以獲得，並且往往會增加重量或成本。

過熱：限制硬件的挑戰

加熱限制定義了人形機器人的性能邊界。如果你的機器人在關鍵操作期間因過熱而降低性能，甚至跌倒，那麼再先進的控制算法也毫無用處。電動馬達的功率輸出和扭矩受到熱限制。這並不是一些小的工程細節；它是任何人形機器人需要運行的最大約束之一。

例如，執行重複行走或爬樓梯任務的機器人，其馬達溫度會迅速上升，通常會導致：

– 在高溫下降低馬達效率（加熱會削弱磁鐵）
– 在低級高帶寬控制器上出現熱限制，可能會不可預測地改變人形機器人對高級控制器的感知行為
– 如果超過熱限制，系統可能會關閉

電池組面臨類似的挑戰。電動車（EV）行業在這方面取得了重大進展，但人形機器人在熱管理系統的空間約束方面比電動汽車要緊。

許多機器人控制軟件開發人員正在其控制堆棧中實施溫度感知規劃。這意味著運行的代碼在基本層面上可能看起來像這樣：

然而，將負載重新分配到較冷的執行器可能會產生複雜、不一致的行為。例如，一個機器人在其執行器冷卻時可能優雅地爬樓梯，但在運行了20分鐘上下樓梯後卻會掙扎。

如果熱量積累的預測非常清楚，這可能是一個更複雜的方法。這種方法在某種程度上與雲系統使用預測自動擴展非常相似，而不是等到伺服器過載後再嘗試擴展。

模擬熱效應是一項挑戰。許多機器人學術論文未能告訴你的是：雖然有一些物理知識模型和工具，但許多模擬環境幾乎無法準確模擬熱效應。相反，這些在其他參數中進行測量和捕獲，例如功率限制。團隊可能花費幾個月時間來完善運動學和動態模型，但對熱量如何影響現實世界的性能卻相對無知。

材料選擇進一步 complicates 問題。鋁材料導熱良好，但越來越多使用的複合材料往往具有較差的熱性能，造成熱點，這在模擬中難以建模和預測。

與此同時，輪子的效率意味著，沒有輪子的機器人在承載較高負載時，其冷卻要求可能高於在乾淨、平坦的工廠地面上行駛的有輪機器人。加熱是人形機器人設計中最棘手的部分之一，但有幾個有希望的發展：

– 集成冷卻的新型執行器設計
– 在控制系統核心的溫度感知運動規劃
– 用於更好被動散熱的材料創新

然而，在出現重大突破之前，熱量仍然是人形機器人的一個限制，就像在許多電器中一樣，從CPU到賽車。這是高性能工程團隊的市場部門不太會談論的工程挑戰，但卻是機械、空氣動力學和熱設計工程師所關注的焦點。

3. 軟件挑戰

硬件是穩定性的基礎，但如果沒有合適的軟件，即使設計最好的機器人也會難以保持直立。軟件的穩定性取決於系統預測、反應和實時恢復擾動的能力。與軟件相關的最大挑戰包括這些：

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一篇由Sandor Felber撰寫的客座文章
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