“灵巧手+AI”引领机器人应用新范式
发布日期： 2024-07-31 | 作者：同步电机
人形机器人的量产时代正在到来。高盛预测,2035年全球人形机器人市场规模将达380亿美元,出货量将达140万台。作为人形机器人与外界交互的重要媒介,灵巧手有着广阔的未来市场发展的潜力,浙商证券预计,2030年灵巧手全球市场约为568亿元,2023-2030年复合增速约35%。
“在通用类人灵巧操作机器人基础研究上,我们已完成了实验室90%的工作,接下来的挑战就是产业化。”来自中国科学院自动化研究所多模态AI系统全国重点实验室的研究员王鹏,正带领团队通过“灵巧手+AI”,让机器人完成包括自主使用工具在内的更多通用性灵巧操作任务。
经过多年的努力,王鹏团队建立了软硬结合的通用类人灵巧操作机器人技术体系,研发了Casia Hand系列仿人灵巧手及机器人系统。2024年4月,Casia Hand斩获了“日内瓦国际发明展金奖”和展会特别奖“ISTA全世界创新与发明奖”。
抓住成果转化的时机,同年6月,中科硅纪在南京麒麟科创园AI创新研究院孵化落地。近期,中科硅纪已获得千万级别的种子轮投资。
灵巧手作为机器人的末端工具,其性能的优劣在很大程度上决定了机器人系统完成各种操作任务的工作性能。然而,灵巧手当前的应用还存在诸多难点,例如对工具的理解应用能力弱、负载较低、成本高昂等。
“如果能解决机器人的工具使用问题,在替代人生产时就能轻松实现无缝衔接,无需重构机器人硬件和产线。同时,机器人能自主使用多样化工具、能共享人类的各种基础设施,才能真正走进家庭和生活。”王鹏说道。
“使用工具”是人类智慧最重要的表现形式之一,从家庭日用品的使用,到工厂各种生产工具的操作,再到空间站在轨维护工具的应用,人类已离不开各式各样的工具。像人一样使用工具是人类期望机器人具有的通用灵巧操作能力之一,将深刻影响人类的生产和生活方式。
对工具的功能性抓取则是灵巧手使用工具的前提,灵巧手旨在模仿人手的灵活性,在抓取规划时需要仔细考虑该工具的使用目的。
针对功能性抓取生成面临的数据集稀缺、手-物接触关系模糊、对人工数据标注的高度依赖,以及低效率等问题,王鹏团队借鉴人类根据工具形状、类别及使用目的来选择抓取方式的特点,提出了基于精细化手-物接触表示的仿人灵巧手功能性抓取生成框架DexFG(Dexterous Functional Grasping)。即通过少量的人类工具使用的示教数据,实现多种构型灵巧手对多样化工具的类人功能性抓取操作。近期,相关研究在线发表于国际机器人顶刊IEEE Transactions on Robotics (T-RO)上。
此外,团队建立了灵巧手功能性抓取的大规模数据集,基于人类的少量工具(物体)使用示教数据,建立了包含 40 类共 2500 个常见工具(物体)的超过 37500个灵巧手功能性抓取标注,支持多种构型灵巧手的包括Tool-use Grasp、Human-to-robot Handover Grasp、Pickup Grasp等工具使用操作任务的功能性抓取。
王鹏团队接下来的工作分为三步。首先推出了系列化类人灵巧手Casia Hand,从结构驱动上提升能力。其次,结合灵巧手Casia Hand提出了一系列灵巧操作AI学习模型。最后,与具体场景和任务结合,构建“灵巧手+AI”的机器人系统并做验证和应用推广。
在硬件上,灵巧手存在灵活性与负载能力难以兼顾的矛盾。由于灵巧手狭小的空间内集成了大量驱动模块等硬件来提升关节自由度,空间限制了可配置的驱动的数量及可选择的电机型号,降低了灵巧手的负载能力,特别是驱动内置型灵巧手在该方面的问题尤为突出。
目前市面上单个灵巧手的负载多集中在3kg-5kg,限制了其在多样化场景的落地应用。某空心杯电机厂商直言,“单个灵巧手负载不超过10kg,人形机器人很多场景都用不了。”
王鹏团队试图通过两种方法来解决这一难题。一是面对负载能力有一定的要求较高的工业场景,将适当减少灵巧手驱动模块,保障其负载能力。目前团队已经研发出了负载7kg的高速自适应版本,下一步计划将负载提升到15kg及以上。二是正在开发手-臂一体系统,将灵巧手的驱动等硬件外置至手臂中,给予驱动模块更大的集成空间,提升其负载能力。
目前中科硅纪正在南京规划和组建第一条小型组装线,并实现灵巧手的小批量生产,公司正在与人形机器人整机厂商共同推进应用方案。此外,团队还会将灵巧手拓展到协作机器人、复合机器人等别的类别机器人系统及应用场景中。
未来,中科硅纪将聚焦汽车制造、物流分拣等工业场景,同时拓展特种作业、家庭服务等方向的应用。
王鹏强调,中科硅纪的重心不在传统自动化方案就能解决的应用场景,而在于传统方案难以解决的痛点问题,通过“灵巧手+AI”拓展机器人的应用场景,例如小批量、多品种、异形的零部件的生产、上料和组装等工序,赋予机器人新的应用范式。
对王鹏团队而言,要从基础研究转向成果产业化,让科技成果转化为现实生产力,堪称一个巨大的跨越,面临的挑战可想而知。
中科南京AI创新研究院做了中科硅纪的第一位“天使”。为助力科技成果走向市场,中科南京人工智能创新研究院组建了一支专业的孵化团队,给王鹏团队带来了孵化经费、规划指导与资源对接等服务,帮助加速知识价值和产学研成果向市场的有效转化。
“我们做的就是推动科技成果从鸡蛋孵化成小鸡。” 中科南京人工智能创新研究院副院长、麒麟科创园科技处副处长王海英说,“其中,助力科技成果转化,帮助科学家创业的关键举措之一,就是南京麒麟科创园推出的5V一体成果转化模式。”
所谓的“5V”,是指地方政府、中科系母所、南京研究院、成果开发团队和产业化服务团队。首先,南京麒麟科创园、中国科学院自动化研究所、中科南京人工智能创新研究院三方共同筛选自动化所可转化成果,然后,在南京研究院产业化服务团队的帮助下,成果开发团队以离岗创业形式设立产业化公司。
相比科技成果以转让或许可方式来进行转化的模式,麒麟科创园成果转化模式的独特之处在于,通过“5V一体”模式,充分调动开发团队创业的积极性,让对科技成果理解最深的研发团队在研究院平台上进一步进行技术的产业化开发与验证,推进科技成果产品化、商业化,同时配备专业的产业化服务团队在成果转化初期提供全过程陪伴服务,打通科技成果产业化的“最后一公里”。
在麒麟科创园“5V一体”模式的助力下,中科南京人工智能创新研究院持续推进科技成果转化落地。比如在脑机接口领域,中国科学院自动化研究所余山研究员团队的多脑区微创柔性脑机接口系统项目,已经在全球首次成功实现了在实验动物上穿过300微米直径的微孔植入柔性电极,并采集到电生理信号,极大降低了脑机接口手术可能带来的伤害。在边缘计算领域,中科方寸知微的“AI自适应巡检技术”,已应用在10多家省级电网公司的无人机巡检工作。
王海英表示,麒麟科创园将继续与中国科学院相关研究所保持紧密联系,共同推进科技成果集中落地,逐渐完备园区科技成果转化路径,倾力打造具有中国科学院特色的全链条科创服务体系与样板,进一步强化中科系科研机构的技术赋能与产业化能力。（来源：创业邦）
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