力控黑科技,无传感器实现性能直逼人手,能为机器人打开哪些新可能
? 人的手臂是一个刚柔并济的矛盾体，类似刚性与柔性需要融合使用的场景在生活中有很多。
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例如需要在白墙上用钉子挂上一幅画，人会首先朝着墙体握住钉子，手拿起锤子或者其它工具，先重敲几下，让钉子前端先破壁进入墙体的1/3，而后继续轻轻敲击几下，让钉子恰好2/3嵌入墙体，这样画就能够合适挂上，整个过程1分钟内搞定。
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如果没有控制好“力道”，不小心用力过猛，钉子全部怼进墙体就会非常尴尬。
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看似很简单的动作，机器人发展至今，却依然很难又快又好“收放”自己的力道，怼进墙体是机器人“敲钉子”动作的常态。
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这种即使加入传感器也不够柔性容易出现损坏的动作，制约了机器人高效开拓许多场景。例如家具、高精密金属打磨、医疗服务、电子装配等。
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能否解决这个问题，就成为了中国机器人能打开更大市场可能性的一种前沿技术方向。在国内力触觉领域的领军专家宋爱国教授的指导下，国内一家叫增广智能的企业已经深入探索并取得了研究的初步进展。
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▍难点到底在哪？
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这个试验展现出的许多特性，在科研上，本身很多都是矛盾的东西。
例如机器人或者是机械臂无法很好完成，人手却可以轻易完成“敲钉子”这个细微动作，原因其实就是受限于机械结构特性。
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一般而言，机械臂由电机+减速器+连杆组成，从机械原理上而言，动作解构并规划到已知位姿需要进行运动学逆解，从而得到电机角度来规划，实现高精度还原和实现。
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这就使得机器人的执行，受到伺服性能、编码器分辨率、电机摩擦、关节耦合等动力学干扰以及减速器摩擦、减速箱背隙等结构干扰问题影响。用锤子去敲钉子，是很大力量进行微小力控的代表案例，对于传动结构摩擦力有非常高的要求。
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更通俗来说，市面常见的力控机器人，或者说对一些传统的机械结构而言，大多只能做到瞬时力量输出，很难及时控制和调整力道，导致无法实现这种动作。
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再深层次而言，用锤子去敲东西，这种瞬时大力的方法，要求机械的瞬时反应，要在突然的情况下发生快速突变。这不仅要求瞬时输出扭矩能够快速调整，还要求机械结构能及时传输和响应这种信号，对于带宽、结构和本体刚性都有太多要求，非常容易造成传感器、减速器损坏。
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由于带宽是不可能做到无限高，计算器件和各方面传感器响应速度也存在一定物理上限，导致最终机器人的即时响应能力也存在上限。例如协作式机器人或者说力控机器人带宽，为了保证正常运行，力的计算频率一般都会控制在4K-8K。
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而人手几乎没有带宽可言，不仅很容易能够完成拿着锤子去敲钉子这一动作，也可以用很轻的力量去抚摸一颗钉子的头。因为人手可以灵敏感受物体表面并判断、控制所需力量大小，这使得无论是表面识别还是响应和输出力的速度，人手都有非常大的动态范围。
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机器人能像人一样刚柔并济，这是很多机器人企业一直治理与实现的目标，但由于机械结构难以克服力的磨损消除，导致“高速与大力”、“小力与大力”这种看似简单其实内核复杂与矛盾的特性，将近100多年从未曾出现在机器人上。
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▍创新的开始
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在这种认识下，我们再去看增广智能本次推出的柔性仿人执行器，就会发现其中一些不可思议的创新点。
首先，从这个视频里可以看到，所有的动作没有通过力传感器去实现，而是一个开环的执行器结构实现演示。
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人轻轻推动这个执行器连杆，甚至只需要吹一口气，都能将其推动。
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这意味着该执行器的摩擦力能做到近乎于零，从而能够实现类似高柔顺性，而阻尼也可以实现调控，展现了这个柔性仿人执行器高灵敏快速精准响应的一面。
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出力范围也是同样让人觉得不可思议，该柔性仿人执行器出力动态范围极大，能出大力也能出小力，其力控性能直逼人手。
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最为直观的就是“敲钉子”这一动作，高速小力敲一半留一半，或者大力全部敲进去，在这个柔性仿人执行器上都变为了可能。这种体现出小力与高速、刚性物体与柔性物体之间的矛盾，原先很难在同一个机械结构上呈现。
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最为难得的是，在一些外向力的干扰下，例如拿锤子去击打测试，原本的结构特性没有出现明显的偏移和改变。视频中介绍，由于这个柔性仿人执行器可以承受冲击，即使碰撞也不会对机器产生损坏，这保证了其可维护性。
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同时，增广智能的柔性仿人执行器，还体现出安全人机互动的特性。在运动过程中，人手突然抓握并进行运动，也并未对轨迹造成影响，这意味着即使执行高速轨迹运动时，该执行器也可以保持兼容性和安全性。
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除了这些，宽带支持高频率震动，最高频率可以达到30HZ，这意味着其运动反馈的即时性会远超人们的想象。
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由于这款柔性仿人执行器能在没有力传感器的情况下，可以实现高灵敏度的力量控制，并且消除摩擦力影响；从而在一个机构下同时满足了出力跨度大、响应速度快、零摩擦力的指标要求，动作更拟人，这无疑是运动控制领域的一项颠覆性的技术创新！
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▍探索更大应用可能性
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不仅仅体现出了一个机械结构的整体创新，该产品在未来市场上是否也能有非常多的可能？机器人大讲堂为此采访到了增广智能CEO黄安杰先生。
据黄安杰透露，目前视频中不仅仅是一个单轴结构产品的展示，该结构并未受到材料、环境的局限，具有非常强的可复制性，未来无疑可以将其拓展做成三轴或者是六自由度的产品。
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“增广智能的柔性仿人执行器，在运动学原理和机械结构上进行创新。目前主流大多使用力传感器+电机+减速机的执行器实现对力量的控制，如今这种全新执行器的技术路线与以往的方式全然不同，可以实现较大力量和快速响应。这在医疗和工业场景，都有非常大的一个想象空间。”黄安杰解释道。
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在力度、速度、灵敏度、运动节拍上，本身就有非常多的矛盾点，例如知乎上有个问题，询问提高减速器减速比，提高关节定位精度，进而提高机械臂末端精度是否可行。有答主也指出，由于机器人本身是一个高度机电一体化结构的整体，往往牵一发而动全身，想要提高任何一个点，问题难度将指数增加。
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例如打磨领域，在很多场景下对于打磨速度与精度都提出了较多要求，由于机器人与人手的区别还非常大，人手可以适配更快、更大的力量变化，高精度打磨对于机器人的力量控制、响应速度要求非常高，同时关节磨损也非常快，导致部分场景难以顺利打开。
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而这款柔性仿人执行器则提供了一种响应快速，同时兼容大出力和小出力的解决方案，就完美实现了鱼与熊掌得兼。由于具备非常多与人相吻合的强悍特性，从而非常适合应用于康复医疗、工业打磨、装配等场景，也可以为机器人企业尝试更多例如按摩、理疗等与人相关交互的部分打开想象空间，除此之外，还可应用于手控器、遥操作等全新的自动化、医疗、实验科研等领域。
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当然，该柔性仿人执行器更多的可能性也依然有待更多企业和研究机构进行挖掘。
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▍结语与展望
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随着汽车、3C、半导体、生物医疗等高精技术领域不断发展，市场对产品的产能与良品率的要求已经显著提升，市场对于自动化生产设备厂商产品的精度、速度、力量等提出了更为严苛的要求。如何找到性能更强的精密运动零部件，提升最终产品或者整体解决方案的素质与质量，一直是困扰机器人企业与许多集成商的难题。
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机器人大讲堂了解到，增广智能CEO黄安杰在2013年师从宋爱国教授期间就看到了这种趋势，从东南大学仪器科学专业毕业后，黄安杰没多久就开启了创业历程。
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2015年，黄安杰敏锐抓到了多轴联动技术这一细分领域在工业市场上的应用前景，开始着手研发末端执行器相关技术。
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2016年，黄安杰成立团队开始攻克第一代执行器控制技术，并最终组合做成各种各样不同形态的产品，匹配研发了智能夹爪、智能推杆、旋转缸等不同硬件形态的执行器产品。
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2018年，黄安杰正式成立了增广智能，联合拥有超30年力触觉技术研究经验的首席科学家宋爱国教授，对标SMC、Festo等国外执行器赛道龙头，定位于做智能执行系统和精密力控系统解决方案提供商，开始走上了国产执行器商业化之路。
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凭借强大的工艺算法优势和完备的工艺软件体系，增广的智能执行器、控制器、传动零件已经全部实现了自主研发，价格是国外同类产品的10%-40%。陆续与华为、富士康、比亚迪、舜宇光学、华大智造等多家头部标杆企业达成紧密合作，成长为了国内智能执行器领域头部企业。
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2021年，增广智能获得凡创资本数千万元Pre-A轮投资，目前，增广智能正在筹备新一轮融资，不断开拓着在电子、半导体、医疗、汽车、新能源、仓储物流、智能装备、军工等多个高精尖领域的更多可能性。
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