機器人平臺有多少“金礦”值得深挖

推薦單位：北京電子學會 科研代表：王志華 轉化作者：張科

在2020國際自主智能機器人大賽中，機器人在賽道上跨越障礙，向終點進發(fā)。它們不需要選手操控，而是自主調整動作和姿勢，自主前進，它們看起來會觀察、能跑、能跳，有的還會翻滾。據(jù)大賽執(zhí)行主席、清華大學微電子學研究所教授王志華介紹，他們曾經(jīng)試圖在2020年挑戰(zhàn)賽規(guī)則中設計考察機器人復雜環(huán)境下的語音識別能力，也就是說要讓機器人根據(jù)選手的語音指令運動，但實際上在比賽的強噪音環(huán)境下，讓機器人精準識別主人說話，還是相當困難的。但在未來的賽事中，也許有選手能用新的算法解決這個問題，這一模塊將相當有應用價值。本次大賽主要考察機器人的觀察能力，準確識別障礙并精準規(guī)劃行走路線是安穩(wěn)通向終點的關鍵，這需要機器人將敏銳的觀察和靈活的動作相結合。

機器人身上的圖像傳感器可以說是機器人的“眼睛”，對障礙的觀察全靠這雙“眼睛”。近年來，隨著應用的需要，CMOS圖像傳感器的市場規(guī)模增長迅速，其市值也大幅增長，而它僅僅是機器人的一個器件。王志華表示，隨著應用的驅動，機器人身上還有很多科學、技術、商業(yè)價值等方面的“金礦”值得深挖。

走近大賽的載體——人形行走機器人

目前，人類已經(jīng)研發(fā)出各種各樣的機器人來滿足生產(chǎn)和生活的需求，有的機器人行為是受限的，例如，有的工業(yè)機器人只能在有限的軌道上運作，有的機器人的機械手只能在有限空間里運動。還有一類機器人行為不受限，它們可以自由運動。此次比賽選用的是行為不受限的人形行走機器人。相比于依靠輪子運動的機器人，人形行走機器人運動速度慢，但其平衡性和對運動姿態(tài)的控制更好。

此次大賽使用的智能機器人，在比賽現(xiàn)場不需要人為控制，沒有連接手機、也沒有連接任何導線，它們依靠選手事先編寫好的程序在賽道上“過關斬將”，而且如果機器人摔倒了，選手也不能去扶，只能讓它們自己站起來。

機器人自主在賽道上前進需要哪些技術支撐呢？首先，機器人需要電路的支撐，電路是機器人的主控，機器人的運動也依靠電路;其次，機器人需要操作系統(tǒng)和編程，這就涉及編程語言和編程環(huán)境;最后，機器人要能“看清”賽道上的障礙，這需要其具備圖像處理能力，需要圖像處理算法對邊緣等進行檢測?？偟膩碚f，機器人的運行依靠硬件和軟件的結合，需要提供視覺的攝像頭、控制姿態(tài)的加速度計和陀螺儀等傳感器，需要驅動動作機構實現(xiàn)機器人運動控制的運動控制板，還需要MCU、GPU、FPGA、TPU等處理器。

此次大賽官方提供可用于參賽的兩款機器人是幻爾的AINEX PRO和樂聚的AELOS PRO，它們都搭載了高清攝像頭、自由云臺、舵機控制器、大容量鋰電池、高精度數(shù)字舵機等。兩款機器人在性能數(shù)據(jù)上基本沒有太多差別，CPU都是1.5GHz 4核ARM-A72X4性能，幻爾的機器人有18個自由度，樂聚的機器人有17個自由度，幻爾的機器人內(nèi)置了1個攝像頭（在頭部），樂聚的機器人內(nèi)置了2個攝像頭（在頭部和胸部）。

應用驅動機器人相關技術的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)

應用需求使技術不斷進步，驅動創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)。王志華提到，從膠卷消失的過程可以清楚地看到這一點，電影膠卷的使用非常早，但它后來被光電器件替代了，這幾乎顛覆了整個行業(yè)。受到數(shù)字成像技術的沖擊，2012年1月，成立于1880年、曾經(jīng)輝煌了100多年的柯達公司正式申請破產(chǎn)保護。這背后是以膠卷為代表的傳統(tǒng)成像技術因成本高、設備笨重、不易永久保存和查看困難等而被新技術取代的過程。

“殺死”膠卷的技術其實就是圖像傳感器和數(shù)碼相機，這是出于對更加便捷的成像技術的需要，而進行的創(chuàng)新研究。從1921年愛因斯坦因發(fā)現(xiàn)和解釋了光電效應而獲得諾貝爾獎以來，48年后的1969年，科學家Willard S. Boyle和George E. Smith發(fā)明了首個成功的電子成像技術產(chǎn)品，他們利用的是數(shù)字傳感器電荷耦合器件。值得一提的是，Willard S. Boyle和George E. Smith于2009年也獲得了諾貝爾獎。1991年，基于光電器件，柯達公司推出第一款數(shù)碼照相機DCS100，其價格高達13000美元，需要2.5千克的電池來驅動，而它只能照出不到百萬像素的照片?，F(xiàn)在看來，它似乎是一個很傻的東西，但它卻發(fā)展演變出一個100億美元的產(chǎn)業(yè)來。在2020國際自主智能機器人大賽設定的機器人競技平臺上的某個應用，經(jīng)歷技術難關的攻克，也許未來也能創(chuàng)造出一個百億美元的市場。

此次大賽使用的機器人，其“眼睛”——傳感器就是由興趣驅動開始、由應用驅動終止的器件，它創(chuàng)造了一個巨大的市場。CMOS圖像傳感器的市場規(guī)模增長迅速，預計將從2015年的103億美元增長到2021年的188億美元。其發(fā)展離不開新應用的推動。在移動設備和汽車應用的驅動下，2015—2021年，CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)的復合年增長率為10.4%。而CMOS圖像傳感器僅僅是機器人平臺的一個器件，可以想象，在機器人這樣的平臺有多少“金礦”值得深挖，這個“金礦”可能是科學上的發(fā)現(xiàn)，可能是技術上的進步，也可能是商業(yè)價值的創(chuàng)造。