AI加持下，所有的工業(yè)設(shè)備都值得再做一遍

近日，知行科技的機(jī)器人業(yè)務(wù)新獲一項(xiàng)合作，國(guó)內(nèi)頭部機(jī)器人公司委托開發(fā)背包式機(jī)器人全棧解決方案。

該項(xiàng)目將由知行科技旗下小工匠機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱'小工匠'）作為主體落地推進(jìn)，充分發(fā)揮小工匠在智能一體化關(guān)節(jié)、機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。專注機(jī)器人研發(fā)與商業(yè)化的艾摩星機(jī)器人則將作為兄弟公司，為該項(xiàng)目提供機(jī)器人感知規(guī)劃所需的智能化能力。

小工匠機(jī)器人，全棧自研

小工匠背包式機(jī)器人原型機(jī)自重僅10千克，一個(gè)成年人即可背負(fù)。其由6個(gè)關(guān)節(jié)和多個(gè)臂構(gòu)成，具備6個(gè)自由度，最大工作半徑0.6米，最大負(fù)荷5公斤，載荷體重比:0.5(市場(chǎng)普遍載荷體重比:0.25)，并能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制。

相較于過去基于既定程序運(yùn)行的機(jī)器人，這款背包式機(jī)器人前端智能一體化關(guān)節(jié)內(nèi)置傳感器和感知決策模型，可通過視覺、激光測(cè)距等多種方式感知環(huán)境，并與人類協(xié)同理解任務(wù)意圖。

通過底部強(qiáng)磁吸盤，這款背包式機(jī)器人可以被吸附在戶外立柱、輪船艙頂、臺(tái)架或地面等任意鐵質(zhì)位置，并基于前端不同夾爪執(zhí)行不同任務(wù)。

過去，工業(yè)、物流、特種等施工作業(yè)場(chǎng)景常受限于困難環(huán)境和惡劣氣候。未來，部署方便、泛化能力強(qiáng)，能與人類良好配合的機(jī)器人，則將有望減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度、擴(kuò)大作業(yè)場(chǎng)景邊界、提升效率與作業(yè)品質(zhì)。

這是小工匠創(chuàng)始人蔣劍所構(gòu)想的機(jī)器人未來：在AI化藍(lán)海中，所有工業(yè)設(shè)備都值得被重做一遍。

但他也表示，要實(shí)現(xiàn)這樣的未來，需解決兩個(gè)核心問題：第一，在通過AI構(gòu)建聰明大腦的同時(shí)，如何用工程機(jī)械和運(yùn)動(dòng)控制學(xué)來鑄造強(qiáng)健的“身體”；第二，則是一個(gè)智能產(chǎn)品如何平衡技術(shù)性能與成本，從而實(shí)現(xiàn)大批量的商業(yè)化落地。

蔣劍給出的解題方案是全棧自研。

從1961年，尤尼梅特（Unimate）機(jī)器人在通用汽車裝配線上開始工作算起，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已發(fā)展了超60年，在工程機(jī)械和運(yùn)動(dòng)控制方面形成了深厚的技術(shù)積累。伺服系統(tǒng)開發(fā)、減速器和運(yùn)動(dòng)控制算法被稱之為機(jī)器人行業(yè)三大核心部件，并被國(guó)際企業(yè)長(zhǎng)期壟斷。近十年，中國(guó)企業(yè)從細(xì)分領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化突破，并取得顯著成果。

2018年才進(jìn)入機(jī)器人行業(yè)的小工匠，基于創(chuàng)始人此前的技術(shù)積累，在六年間建立起伺服驅(qū)動(dòng)開發(fā)、擺線（次擺線）齒輪擬合設(shè)計(jì)和專用無框伺服電機(jī)設(shè)計(jì)的機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)全棧自研能力。

蔣劍認(rèn)為，機(jī)器人行業(yè)是高度場(chǎng)景化的產(chǎn)品，每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)機(jī)器人的性能和價(jià)格需求都高度差異化，需要嚴(yán)格適配、定制化開發(fā)。通過從關(guān)鍵技術(shù)到生產(chǎn)工藝的全棧自研，小工匠能夠提供關(guān)節(jié)自定義，即根據(jù)客戶應(yīng)用場(chǎng)景所需的速度、精度、載荷，求解出最合適的關(guān)節(jié)構(gòu)型和組合方案搭建出相應(yīng)的機(jī)器人，并實(shí)現(xiàn)合理的價(jià)格。

“過去有人詬病我做全棧產(chǎn)品開發(fā)，模式不聚焦。但如果這個(gè)東西不能全棧做出來，就無法達(dá)到商業(yè)化要求的成本線，而且開發(fā)迭代也受供應(yīng)商限制?！?/p>

以RV減速器為例，在達(dá)到±0.02毫米高精度的情況下，小工匠的RV減速器成本僅為同性能行業(yè)平均水平的50%。由此，這一過去受限于價(jià)格，只能用在“刀刃”上的高精度減速器可被用在更多場(chǎng)景當(dāng)中，拓展機(jī)器人的工作種類和范圍。

小工匠開發(fā)的另一款激光焊接機(jī)器人臺(tái)架原型機(jī)便采用自研的RV減速器，其能夠通過人類手勢(shì)和語言提示理解焊接要求，CCD工業(yè)視覺模組，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法識(shí)別焊縫位置，支持編程設(shè)定激光功率隨時(shí)間或距離變化，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜焊接工藝，整體動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定，軌跡精度高。

正向開發(fā)，造能商業(yè)閉環(huán)的機(jī)器人

“平價(jià)才是商業(yè)化的王道”，在蔣劍看來，中國(guó)機(jī)器人“身體”產(chǎn)業(yè)有望重復(fù)“手槍鉆的故事”。

早在十多年前，國(guó)內(nèi)手槍鉆普遍來自均價(jià)千元的國(guó)際品牌。但隨著國(guó)產(chǎn)廠商正向開發(fā)、優(yōu)化工藝，規(guī)模降本后200-300元的手槍鉆在市場(chǎng)上完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代?！皺C(jī)器人就是這樣的十倍關(guān)系?，F(xiàn)在很多項(xiàng)目從技術(shù)上高大上，但往往難以滿足大規(guī)模商用的成本要求。我們可以通過正向開發(fā)大幅降本，讓機(jī)器人能真正應(yīng)用到生產(chǎn)、生活當(dāng)中?！?/p>

以RV減速器為例。減速器決定著關(guān)節(jié)性能優(yōu)劣，而關(guān)節(jié)則決定機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。RV減速器作為高性能減速器，具有精度高、壽命長(zhǎng)、力量大、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但受限于價(jià)格，只能被應(yīng)用在作業(yè)空間充裕、單位產(chǎn)值高的場(chǎng)景。國(guó)際廠商的RV減速器主要用于機(jī)器人的基座、腰部、大臂和肩部等重負(fù)載關(guān)節(jié)，六軸機(jī)器人大多僅在根部采用兩個(gè)RV減速器，上面使用3-4個(gè)相對(duì)便宜的諧波減速器。

高價(jià)是由于RV減速器獨(dú)特的傳動(dòng)模式。

RV減速器采用擺線針輪減速，通過特殊的“等速機(jī)構(gòu)”，將擺線輪的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為低速、大扭矩的旋轉(zhuǎn)輸出。相比行星、多級(jí)齒輪、諧波等傳動(dòng)方式，擺線針輪傳動(dòng)具有極高的多齒同時(shí)嚙合特性（理論上50%的齒同時(shí)接觸，諧波減速器則是30%），是RV減速器實(shí)現(xiàn)超高精度、高剛性、零背隙（極小背隙）的關(guān)鍵。

但高比例的多齒同時(shí)嚙合依賴擺線齒形的微米級(jí)高精度磨削，過約束結(jié)構(gòu)要求零誤差配合的裝配工藝，以及軸承抗沖擊設(shè)計(jì)，機(jī)床和工藝設(shè)計(jì)都耗資不菲，也由此大幅推高了RV減速器的成本，以及整體關(guān)節(jié)成本。

小工匠已掌握擺線(次擺線)齒輪擬合線設(shè)計(jì)能力，通過正向開發(fā)RV減速器、行星減速器，將產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)性能和成本之間的平衡。從結(jié)果來看，小工匠自研的RV減速器可達(dá)成±0.02毫米的高精度，重量?jī)H500克，成本僅為同性能RV減速器行業(yè)平均水平的50%。

更輕，更便宜的RV減速器，讓背包式機(jī)器人成為可能。一方面，一個(gè)僅一公斤重的輕量化關(guān)節(jié)，讓RV減速器類關(guān)節(jié)擺脫了大自重、大體積的限制，布置更為方便，甚至可以便攜；另一方面，高精度的RV減速器類關(guān)節(jié)，也能夠滿足各類對(duì)精度要求高的場(chǎng)景需求。

更重要的是成本。RV減速器外，小工匠還具備伺服驅(qū)動(dòng)開發(fā)能力，在硬件上能夠基于各種MCU開發(fā)緊湊、高效的驅(qū)動(dòng)器；在軟件上，小工匠基于自身的運(yùn)動(dòng)控制算法能力，已封裝多個(gè)機(jī)器人原型機(jī)的底層功能，能夠提供基于ROS2（Robot operation system2 機(jī)器人控制系統(tǒng)2）的機(jī)器控制接口，使各類上層應(yīng)用模型算法直接控制機(jī)器人。

同時(shí)，小工匠能夠自主設(shè)計(jì)專用伺服電機(jī)，在滿足性能的同時(shí)優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)，改善散熱；對(duì)電機(jī)繞線、磁鐵、矽鋼沖片、外殼鋁壓鑄等方面有著豐富的供應(yīng)鏈管理經(jīng)驗(yàn)。

從運(yùn)動(dòng)控制算法到伺服系統(tǒng)，從RV減速器、電機(jī)，到高度集成的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，小工匠掌握了機(jī)器人身體骨骼、肌肉、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全棧關(guān)鍵技術(shù)，使其能夠從最細(xì)顆粒度考慮，正向開發(fā)滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)際需求的具身智能產(chǎn)品，并在性能和成本之間找到那條關(guān)鍵的平衡紅線，為復(fù)制“手槍鉆的故事”提供可能。

蔣 劍，用第一性原理制造機(jī)器人

“我是工藝派”。

如今，在具身智能產(chǎn)業(yè)第二輪爆發(fā)中，有從大模型等“思想”出發(fā)向下發(fā)展“身體”的軟件派，也有從零件等“身體”出發(fā)向上發(fā)展“思想”的工藝派，蔣劍便是其中之一。

畢業(yè)于中科大精密機(jī)械及精密儀器專業(yè)的蔣劍少年成名，在“首屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽（ROBOCON）”中，擔(dān)任中科大一、二隊(duì)方案總設(shè)計(jì)，分獲冠亞軍。

此后，蔣劍不再出現(xiàn)于公眾媒體中，卻默默帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了多個(gè)領(lǐng)域的“隱形冠軍”：

他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)商用車耐高溫?zé)o刷散熱風(fēng)扇，打破國(guó)外壟斷，拿下柳工、三一重工等大客戶，國(guó)內(nèi)市占率第一；攻克氫燃料反應(yīng)堆散熱難題，使之成為國(guó)內(nèi)氫燃料散熱第一品牌，市占率45%以上。

他創(chuàng)立公司，先是通過工藝優(yōu)化，為通信基站零部件隔離器/環(huán)形器的殼體加工提效數(shù)倍，獲得客戶高度認(rèn)可，在此細(xì)分領(lǐng)域成為全球供貨量最大的供應(yīng)商；又攻克5G環(huán)形器項(xiàng)目智能制造的各種難關(guān)，攻堅(jiān)關(guān)鍵原材料的研發(fā)，成為該類產(chǎn)品華為最大供應(yīng)商。

深厚的基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)術(shù)背景，和15年以上的機(jī)加工一線設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，塑造了蔣劍以“第一性原理”出發(fā)的工程師思維：“原理你理解了，能把整個(gè)結(jié)構(gòu)用數(shù)據(jù)公式表達(dá)出來，這個(gè)地方需要多少力、多少速度，就能把想要的做出來。”

蔣劍給出了一個(gè)加工刀具降本增效的案例。通信基站零件隔離器/環(huán)形器殼體的尺寸精度都在0.05mm以內(nèi)，需要精密加工，鎢鋼銑刀則是重要的加工刀具。蔣劍前公司接到客戶降本增效的需求后，通過精進(jìn)刀路程序，刀損下降30%，且速度提升200%；改變傳統(tǒng)加工工藝，使得固定資產(chǎn)投入只需要友商的1/3；優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增加了客戶粘性，最終成為了該品類全球最大的供應(yīng)商。

究其原因，蔣劍拋棄機(jī)加工產(chǎn)業(yè)倚重手感和經(jīng)驗(yàn)的“老師傅模式”，從鎢鋼的物理特性出發(fā)，基于其線速度、受抗彎程度等所有相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行全局受力分析，找到所有可能導(dǎo)致刀損的點(diǎn)位，通過降速或換位的方式降低其負(fù)荷，提升耐受性，最終集成出讓每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都發(fā)揮到極致且不會(huì)過載的工藝流程。

“把要素拆解出來，最后用數(shù)學(xué)的方法去解它”。在蔣劍看來，制造能夠商業(yè)閉環(huán)的機(jī)器人，“僅”需要兩步：

一是正向開發(fā)，從數(shù)學(xué)、物理的第一性原理出發(fā)去重新架構(gòu)這個(gè)產(chǎn)品；

二是從工藝角度，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工藝同步考慮，在設(shè)計(jì)每一個(gè)點(diǎn)或面時(shí)同步考慮加工設(shè)備、工序流程等工藝問題。

通過物理、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科和制造工藝等工程實(shí)踐的協(xié)同，構(gòu)建出基于場(chǎng)景需求，功能、性能和成本平衡的復(fù)雜系統(tǒng)。

蔣劍和小工匠用實(shí)踐證明，回歸第一性原理進(jìn)行正向開發(fā)，堅(jiān)持全棧自研掌握核心關(guān)鍵技術(shù)，是破解機(jī)器人商業(yè)化難題的核心路徑。前者確保了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工藝在物理和數(shù)學(xué)原理上的最優(yōu)解，從根源上實(shí)現(xiàn)性能與成本的平衡；后者則打破了關(guān)鍵部件的外部依賴和成本瓶頸，賦予了產(chǎn)品定義的高度靈活性與成本競(jìng)爭(zhēng)力。這兩者相輔相成，為機(jī)器人打造出可行的商業(yè)閉環(huán)。讓機(jī)器人像“手槍鉆”一樣普及，真正融入各行各業(yè)，正變得清晰而可期。