推薦單位：北京電子學(xué)會 科研代表：王志華 轉(zhuǎn)化作者：張科

在2020國際自主智能機(jī)器人大賽中，機(jī)器人在賽道上跨越障礙，向終點進(jìn)發(fā)。它們不需要選手操控，而是自主調(diào)整動作和姿勢，自主前進(jìn)，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(xué)微電子學(xué)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(shè)計考察機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境下的語音識別能力，也就是說要讓機(jī)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(jī)器人精準(zhǔn)識別主人說話，還是相當(dāng)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(dāng)有應(yīng)用價值。本次大賽主要考察機(jī)器人的觀察能力，準(zhǔn)確識別障礙并精準(zhǔn)規(guī)劃行走路線是安穩(wěn)通向終點的關(guān)鍵，這需要機(jī)器人將敏銳的觀察和靈活的動作相結(jié)合。

機(jī)器人身上的圖像傳感器可以說是機(jī)器人的“眼睛”，對障礙的觀察全靠這雙“眼睛”。近年來，隨著應(yīng)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(jī)器人的一個器件。王志華表示，隨著應(yīng)用的驅(qū)動，機(jī)器人身上還有很多科學(xué)、技術(shù)、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(jī)器人

目前，人類已經(jīng)研發(fā)出各種各樣的機(jī)器人來滿足生產(chǎn)和生活的需求，有的機(jī)器人行為是受限的，例如，有的工業(yè)機(jī)器人只能在有限的軌道上運作，有的機(jī)器人的機(jī)械手只能在有限空間里運動。還有一類機(jī)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(jī)器人。相比于依靠輪子運動的機(jī)器人，人形行走機(jī)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(jī)器人，在比賽現(xiàn)場不需要人為控制，沒有連接手機(jī)、也沒有連接任何導(dǎo)線，它們依靠選手事先編寫好的程序在賽道上“過關(guān)斬將”，而且如果機(jī)器人摔倒了，選手也不能去扶，只能讓它們自己站起來。

機(jī)器人自主在賽道上前進(jìn)需要哪些技術(shù)支撐呢？首先，機(jī)器人需要電路的支撐，電路是機(jī)器人的主控，機(jī)器人的運動也依靠電路;其次，機(jī)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(jī)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(jìn)行檢測。總的來說，機(jī)器人的運行依靠硬件和軟件的結(jié)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(qū)動動作機(jī)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)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(jī)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(jī)控制器、大容量鋰電池、高精度數(shù)字舵機(jī)等。兩款機(jī)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(jī)器人有18個自由度，樂聚的機(jī)器人有17個自由度，幻爾的機(jī)器人內(nèi)置了1個攝像頭（在頭部），樂聚的機(jī)器人內(nèi)置了2個攝像頭（在頭部和胸部）。

應(yīng)用驅(qū)動機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)

應(yīng)用需求使技術(shù)不斷進(jìn)步，驅(qū)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(shù)的沖擊，2012年1月，成立于1880年、曾經(jīng)輝煌了100多年的柯達(dá)公司正式申請破產(chǎn)保護(hù)。這背后是以膠卷為代表的傳統(tǒng)成像技術(shù)因成本高、設(shè)備笨重、不易永久保存和查看困難等而被新技術(shù)取代的過程。

“殺死”膠卷的技術(shù)其實就是圖像傳感器和數(shù)碼相機(jī)，這是出于對更加便捷的成像技術(shù)的需要，而進(jìn)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(yīng)而獲得諾貝爾獎以來，48年后的1969年，科學(xué)家Willard S. Boyle和George E. Smith發(fā)明了首個成功的電子成像技術(shù)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(dá)公司推出第一款數(shù)碼照相機(jī)DCS100，其價格高達(dá)13000美元，需要2.5千克的電池來驅(qū)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(jī)器人大賽設(shè)定的機(jī)器人競技平臺上的某個應(yīng)用，經(jīng)歷技術(shù)難關(guān)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(jī)器人，其“眼睛”——傳感器就是由興趣驅(qū)動開始、由應(yīng)用驅(qū)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(yù)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(yīng)用的推動。在移動設(shè)備和汽車應(yīng)用的驅(qū)動下，2015—2021年，CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)的復(fù)合年增長率為10.4%。而CMOS圖像傳感器僅僅是機(jī)器人平臺的一個器件，可以想象，在機(jī)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(xué)上的發(fā)現(xiàn)，可能是技術(shù)上的進(jìn)步，也可能是商業(yè)價值的創(chuàng)造。