具身智能最新进展：ARTEMIS

UCLA最先进的人形机器人将参加机器人足球赛。UCLA机器人与机械实验室(RoMeLa)的研究人员设计了一种人形机器人，命名为ARTEMIS，计划于7月前往法国参加2023年RoboCup机器人足球赛。ARTEMIS身高4英尺8英寸，体重85磅，能够在崎岖不平的地面上行走，也能奔跑和跳跃。即使受到强烈推挤或其他干扰，ARTEMIS也能保持稳定。在实验室的测试中，ARTEMIS以每秒2.1米的速度行走，这使其成为世界上行走速度最快的人形机器人。ARTEMIS的主要创新在于它的执行器经过定制设计，表现得像生物肌肉，它们有弹性且受力控制，这与大多数机器人所具有的刚性、位置控制的执行器相反。ARTEMIS的执行器是电力驱动的，与带有液压驱动器的机器人相比，它产生的噪音更小，运行效率更高，而且它更清洁。在UCLA获得机械工程博士学位的Taoyuanmin Zhu和Min Sung Ahn分别开发了ARTEMIS的硬件和软件系统。 专为人形机器人定制设计的执行器是ARTEMIS的主要创新。在机器人硬件上，执行器是实现动态运动的最关键的部分，目前有腿机器人的执行器方案可以分为以下几类：1）高速齿轮减速+力矩传感器执行器（High gear reduction + force torque sensor actuators）；2）串联弹性执行器（Series elasticactuator）；3）本体驱动器（Proprioceptive actuator）；4）液压执行器（Hydraulic actuator）。ARTEMIS采用专门为人形机器人的要求而设计的高扭矩密度的本体执行器，使用行星齿轮。 低反射惯性和高传输透明度使机器人能够利用本体感受力控制，并在跑步和跳跃时具有冲击弹性。为了使执行器更加模块化，ARTEMIS定制了电机驱动器和控制器板，以更好地适应执行器的包装，简化了系统的体系结构，并减轻了整个系统的重量。 完善的软件系统是ARTEMIS实现灵活运动的关键。ARTEMIS的软件架构主要分为硬件接口、仿真接口、摄像头接口、控制器接口和安全接口：1）硬件接口由不同的对象组成，与包括执行器、惯性测量单元（IMU）和接触点传感器的不同对象通信。 2）仿真接口试图模拟执行器接口和IMU接口的功能。所需的位置、速度和扭矩命令能以与物理硬件相同的方式发送到仿真环境中。3）控制器接口负责从共享内存中读取当前的联合状态和IMU读数，并更新接触检测器和状态估计器，这些数据将被运动控制器等控制器使用。4）当硬件接口与执行器通信时，当检测到任何错误行为时，安全接口运行在一个单独的进程下关闭机器人。对于户外环境中的动态运动，可能有不均匀和不连续的地形，ARTEMIS设计了完善的运动框架让运动控制器能够立即调整其计划和轨迹。 投资建议： 机器人技术在快速发展中，我们建议关注机器人相关产业链公司： 三花智控、拓普集团、鸣志电器、绿的谐波、峰岹科技。 UCLA的执行器方案中使用了行星减速器，建议关注行星减速器产业链： 双环传动、中大力德、国茂股份。 风险提示：机器人技术迭代不及预期风险；宏观经济风险；行业竞争加剧风险。 1、UCLA最先进的人形机器人将参加机器人足球赛 据UCLA官方新闻，UCLA机器人与机械实验室(RoMeLa)的研究人员设计了一种人形机器人，命名为ARTEMIS，计划于7月前往法国波尔多，参加2023年RoboCup机器人足球赛。 图表1：人形机器人ARTEMIS ARTEMIS身高4英尺8英寸，体重85磅，能够在崎岖不平的地面上行走，也能奔跑和跳跃。即使受到强烈推挤或其他干扰，ARTEMIS也能保持稳定。根据UCLA研究人员的说法，在实验室的测试中，ARTEMIS以每秒2.1米的速度行走，这使其成为世界上行走速度最快的人形机器人。 ARTEMIS的主要创新在于它的执行器经过定制设计，表现得像生物肌肉。它们有弹性且受力控制，这与大多数机器人所具有的刚性、位置控制的执行器相反。ARTEMIS的执行器是电力驱动的，而不是由液压控制的，与带有液压驱动器的机器人相比，它产生的噪音更小，运行效率更高，而且它更清洁，因为没有液体泄漏的问题。 ARTEMIS响应和适应其感知的能力来自其传感器和执行器系统。它的每只脚上都有定制设计的力传感器，可帮助机器在移动时保持平衡。它的头部还有一个定位单元和摄像头，以帮助它感知周围的环境。 图表2：ARTEMIS在被干扰时保持平衡 在UCLA获得机械工程博士学位的Taoyuanmin Zhu和Min SungAhn分别开发了ARTEMIS的硬件和软件系统。 2、专为人形机器人定制设计的执行器是ARTEMIS的主要创新 执行器是实现动态运动的最关键的部分，当前业界与学界有众多型号的人形机器人，分别采用不同的方案。 图表3：各种人形机器人 在UCLA论文《Design of a Highly DynamicHumanoid Robot》中，作者将目前的有腿机器人的执行器方案分为了以下几类： 1）高速齿轮减速+力矩传感器执行器（High gear reduction + force torque sensor actuators）。提高执行器转矩密度的一个方法是使用更高的齿轮减速比。应变波齿轮传动也称为谐波齿轮传动，因为其紧凑性和没有反弹的优点被广泛使用。随着越来越复杂的控制算法的实施，力和扭矩可控性成为执行器的关键。直接的方法是将扭矩传感器集成到执行器上，并将力矩传感器（F/T传感器）放在机器人的每个肢体的末端。这种方法已被成功用在许多机器人上，如ASIMO，HRP系列，HUBO系列，JAXON，SCHAFT。 除了少数例外，高齿轮减速的机器人只能实现非常缓慢和相对静态的运动。这是由于谐波传动器和F/T传感器是脆弱的，并且非常容易受到冲击。此外变速箱的高反射惯性和低效率使它不能吸收每次脚撞到地面的冲击负荷。 图表4：谐波齿轮和力矩传感器 2）串联弹性执行器（Series elastic actuator，SEA）。SEA是一种能够实现柔性输出的驱动单元，在驱动和执行模块之间添加弹性元件，来使驱动和负载之间具有柔性缓冲。 带有SEA的机器人可以展示自然、动态和节能的步态，包括ATRIAS、THOR、WALK-MAN。 然而，SEA有一个难以取舍的权衡；弹性弹簧影响系统动力学，较低的弹簧刚度意味着较低的控制带宽，而较高的弹簧刚度导致较差的冲击缓解。因此弹簧的刚度通常需要根据所使用的连接进行调整。此外在生物学中，有效的腿部刚度实际上随着运动速度的变化而变化，这使得可变的刚度成为动态运动的潜在要求。 3）本体驱动器（Proprioceptive actuator）。实现力控的一种替代方法是使用电机电流来估计致动器的扭矩输出。由于变速箱的摩擦损失和其他非线性问题，基于电流的扭矩控制不能与高减速执行器一起工作，而直接驱动电机将工作得非常好，这通常被称为传输透明度。然而如果没有扭矩放大，扭矩密度就会受到影响。因此建议采用高扭矩电机配合高效低减速比齿轮箱，在保持变速器透明度的同时产生合理的扭矩密度。这种设计的另一个好处是，由于低反射惯性，执行器可以处理更高的冲击，并允许高度动态的行为。由于这种直接驱动和准直接驱动执行器的基于电流的扭矩控制特性，它们通常被称为本体执行器。这种设计方法是由MIT在有腿机器人中推广的。 4）液压执行器（Hydraulic actuator）。由麻省理工学院的leglab和后来的波士顿动力广泛推广。液压执行器具有独特的优点，即在执行器上的力密度极高，以及通过液压直接进行力控制。然而，液压泵、阀门和软管的系统复杂性使其很难扩大规模。 图表5：不同执行器方案在扭矩密度、影响缓解、带宽、扭矩控制上的比较 ARTEMIS采用专门为人形机器人的要求而设计的高扭矩密度的本体执行器，其低减速比齿轮箱采用行星齿轮。低反射惯性和高传输透明度使机器人能够利用本体感受力控制，并在跑步和跳跃时具有冲击弹性。 图表6：（a）定制的行星齿轮箱（b）转子和齿轮箱集成 为了使执行器更加模块化，ARTEMIS定制了电机驱动器和控制器板，以更好地适应执行器的包装。当电子设备与执行器集成时，在执行器之间的唯一电缆是母线电压和通信电缆，这就简化了系统的体系结构，并减轻了整个系统的重量。 3、完善的软件系统是ARTEMIS实现灵活运动的关键 ARTEMIS的软件架构主要分为硬件接口、仿真接口、摄像头接口、控制器接口和安全接口。这些不同的组件需要同时运行，这使得多线程成为软件堆栈中不可或缺的功能，这既是出于算法的原因，也是为了确保计算机中央处理单元（CPU）的分布式负载。因此，共享内存和信号量在很大程度上用于管理不同并发运行进程之间的数据。所有数据都记录在一台非车载计算机上进行分析。 1）硬件接口由不同的对象组成，与包括执行器、惯性测量单元（IMU）和接触点传感器的不同对象通信。 2）仿真接口试图模拟执行器接口和IMU接口的功能。所需的位置、速度和扭矩命令能以与物理硬件相同的方式发送到仿真环境中。 3）控制器接口负责从共享内存中读取当前的联合状态和IMU读数，并更新接触检测器和状态估计器，这些数据将被运动控制器等控制器使用。 4）安全接口：当硬件接口与执行器通信时，当检测到任何错误行为时，安全接口运行在一个单独的进程下关闭机器人。 图表7：ARTEMIS软件架构 对于户外环境中的动态运动，可能有不均匀和不连续的地形，运动控制器能够立即调整其计划和轨迹是很重要的。为了实时地做出这些决策，机器人必须能够： 1）感知其与环境的接触状态。 2）估计其基框架的姿态和速度。 3）计划何时移动其末端执行器。 4）计划将其末端执行器移动到哪里。 5）计划如何移动其末端执行器、质心和身体。 ARTEMIS设计了完善的运动框架，运动控制器根据当前的广义坐标、转矩和接触状态，计算出所需的前馈转矩，并与步态计划器联合计划何时移动末端执行器。接触（足迹）计划器决定将末端执行器移动到何处。轨迹规划器、IK控制器和全身控制器决定如何移动末端执行器、质心和身体。 图表8：ARTEMIS运动框架 3、投资建议 机器人技术在快速发展中，我们建议关注机器人相关产业链公司：三花智控、拓普集团、鸣志电器、绿的谐波、峰岹科技。 UCLA的执行器方案中使用了行星减速器，建议关注行星减速器产业链：双环传动、中大力德、国茂股份。 风险提示 机器人技术迭代不及预期风险：若机器人技术迭代不及预期，则对产业链相关公司会造成一定不利影响。 宏观经济风险：宏观经济的影响因素较多，或对整个行业将会造成不利影响。 行业竞争加剧风险：若相关企业加快技术迭代和应用布局，整体行业竞争程度加剧，将会对目前行业内企业的增长产生威胁。