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逻腾王酉：球形机器人布局千亿市场 2023 年第 4 期 67逻腾王酉：球形机器人布局千亿市场文/刘政鑫在 2023 东莞“机器人+”大会展览上，一个球形机器人的亮相引起了参展观众以及其他展商们的关注。其不同于双足、四足、多足、履带、轮式等机器人的传统特征形态，是如何运行的，为何会有球形这种新的机器人品类？本刊记者专访逻腾科技创始人、浙江大学博导王酉教授，解析智能球形机器人在极限环境领域中的应用优势，以及市场规模和发展态势。随着科学技术的发展，机器人在人类的生活和工作中扮演着越来越重要的角色。其中，移动机器人是机器人领域的一个重要分支，目前市场上使用较多的产品，主要以轮式、腿足、四足，以及履带为主，同时还有一些少见的类型，比如爬行仿生类等。随着机器人应用领域的不断增多，新型的移动机器人也在逐步出现，成为传统移动机器人的有益补充。但在很多领域，机器人依然无法满足人类对于环境适应和控制能力的要求。球形底盘突破效率峰值在几种地面运行的移动机器人中，轮式机器人是效率最高的，并且在同样的能量条件下，轮式机器人可以行进的距离更远。但是，轮式机器人也有明显的不足，即运动场景受限。“一辆汽车行驶在铺装路面上，他的速度是有保障的，但是一旦驶离平整的马路，到了崎岖不平路面的时候，就会出现速度降低，同时会有翻车的风险”，王酉介绍道，“相关专家们也给出了很多改进的方法，比如火星车，采用了多轮结构以及悬挂底盘，一定程度上解决了小车倾覆的问题，但是其行进速度依旧很慢”。从运动适应性以及越障性能而言，履带式机器人虽然对不平或较大坎沟具有良好的适应性，但行进速度相对较慢，同时能量消耗极大。而腿足和四足机器人具备更优消耗极大，因此持续作业时间很短，同时，四足和腿足机器人在运动过程中，如果遇到踩空或者碰撞的情况，极易出现倾覆的问题。能耗大，运行时长不足，易倾覆等问题，成为行业亟待突破的问题。与四足、双足、轮足、多轮等机器人相比，球形机器人在极限环境（非友好环境）中的应用优势非常大，王酉在谈及球形机器人时说道。本质上，球形机器人可以归于特殊轮式机器人，其运动方式是滚动，同轮式机器人相似。同时，其控制构件、驱动器件等都放置在了球壳内部。“通常来讲，一个车，它的轮子越大，越障的能力就越强。比如，矿区里运输用的大型卡车，它的轮子比人还要高，所以它的越障能力非常强，很多我们觉得很大的石头，对于它来说，没有任何影响”王酉教授介绍道。球形机器人较之其他移动机器人不同点之一在于，其轮部的尺寸非常大，因此越障能力极强。另一点不同，就是稳定性极强，不会发生倾覆。王酉表示，球形机器人其主要的配重都在球体内部偏下方的位置，因此整体是一个“不倒翁”的自稳定结构。无论是从高空跌落，还是连续翻滚，或者是被撞击、攻击，最终都可以稳定住，不会倾覆，不会因为环境而导致机器失能。虽然四足机器人、多足机器人，以及腿足机器人也可以实现姿态矫正，但是在矫正的过程中，对于机器人能量的消耗是极大的。因此，球形机器人从运动性能上来说，不仅拥有同轮式机器人一样的工作时长，以及运行效能，同时其自稳定性又要强于轮式机器人。从工作能耗以及效率上来说，球形机器人无疑突破了传统移动机器人底盘的效率限制。五大优势独占行业“鳌头”摆锤驱动实现球形机器人运动核心球形机器人的运动原理主要有两种：刘政鑫 本刊编辑68 机器人产业|ROBOT INDUSTRYCAse StudY案例分析 2023 年第 4 期 69逻腾王酉：球形机器人布局千亿市场一种是通过质心偏移，机器人在重力矩的作用下运动；另一种是保证机器人的质心永远位于地面接触点的正上方，从而在接触点处的重力矩为零，机器人基于角动量守恒原理运动。王酉表示，从实际出发，控制球形机器人唯一有效的方式就是改变球壳内部的质心位置，利用质心位置变化形成重力分量的变化，给球体一个相应的驱动力。基于这个原理，质心偏移型球形机器人，按照其内部结构分类主要有三种形式：摆锤驱动、小车驱动，以及多质量块驱动。其中，摆锤驱动是最为灵活的一种，而小车驱动和多质量块驱动两种方式，缺点明显，即移动速度和质量块重量等存在限制。球形机器人想要越过障碍物，其运行的核心在于速度。王酉在谈及球形机器人越障时表示，“从运动控制的角度来说，球形机体最高效的越障驱动方式就是摆锤，不仅是因为球壳的尺寸可以很大，而且利用电机拉起后摆锤，就可以极短的时间内获得较大的速度，球体同时也会获得相应的驱动力和加速度，这样就可以实现越障了”。他表示，目前，逻腾科技已实现全技术自主化，同时产品可以在面对高可用性、高对抗性、高稳定性、高鲁棒性、高能效比要求的专业级市场要求时，依旧表现出色。“自适应+L4”保证控制稳定性球形机器人的本质，是一个不倒翁，而不倒翁是具有一定的稳定性的，但是如何让其遵循规划进行角度偏转，就需要对球体进行控制。对球体本身而言，因其自身姿态会影响运动方向，所以如何实现对球形机器人的运动姿态控制，就成为了行业难题。王酉介绍，“对于球体而言，控制的核心就是对三个姿态进行控制，包括俯仰角、翻滚角和航向角，这三个姿态同时控制难度极大，我们的解决方案就是通过建立相对准确的运动学、动力学模型，然后通过多种控制方法的集合，包括滑膜控制、自身控制、模糊控制等，从自动化的角度，通过建模仿真、模型测试，形成完整闭环的控制方法，基于准确的模型和控制方法，对球体的控制效果会更好。”球体的运动姿态不仅由它自身决定，同时还由它和地面间的相互关系决定，因此地面对机器人的影响也很大。比如，地上有个坑，球在压到坑的时候，就会产生姿态和运动方向的变化，而这种变化是不可预知的，只能根据实际情况进行实时修正。另外，不同的地面条件，其摩擦系数也会不同，同时，环境因素也会对路面摩擦系数产生影响，因此如何对整个运动控制参数进行调整，成为了行业难题。“我们主要采用自适应运动控制，还有自动驾驶系统，让机器人适应不同的运动条件”，在解释球形机器人如何实现控制稳定性时，王酉说道。机器人通过搭载实时自适应运动控制系统和 L4 级别自动驾驶系统，使机器人可以无需事先训练，在遇到坑洼、裂缝、碰撞、跌落时能够自动调整姿态，并能够自动适应未知或不断变化的地形地貌，同时能够实时融合各类传感器的全景感知信息，统筹预设任务、CAse StudY案例分析70 机器人产业|ROBOT INDUSTRY自身工况，及周边障碍物态势，实时自动调整路径规划，完全无需高精度电子地图等前置工作。“昆虫复眼”实现全方位外部感知球形机器人在运动的过程中，它的姿态会不停地发生变化，包括晃动、震动等，如何在姿态频繁变化的情况下，实现机器人对外部的全方位感知，王酉介绍，“我们利用昆虫复眼这样一个仿生学中的概念，通过多个摄像头构成全场景感知，根据球体本身的姿态参数，对信息进行校准，选取方位角合适的传感器数据形成感知图像。”球形机器人在运动过程中，可以依靠仿生“昆虫复眼”的全景感知系统实现稳定、无干扰的信息获取。通过信息系统的综合处理以及参数校准，去除运动过程中产生的数据抖动。多传感器综合获取周边环境的信息，使得机器人可以完成自动避障。多标准化接口实现个性化业务需求机器人的应用场景在不断丰富，同时不同行业对机器人的要求也各有不同，因此机器人需要满足不同行业内个性化以及不断发展变化的业务需求。在解决如何实现用户客制化开发的外挂模块搭载的问题上，王酉表示，球形机器人配备标准化接口就可以实现模块搭载适配问题。标准化接口的设计包含三个部分，即机械接口、电气接口、数据接口。机械接口部分需要考虑螺丝尺寸、定位孔尺寸等；电气接口部分需要考虑电压限额、功率限额等；数据接口部分需要考虑使用的接口类型是 EM231 通信接口，RS485 通信接口或者高速 USB 接口等。只有符合主流市场成熟技术和标准的接口设计，才能保障设备接口的可靠性以及稳定性。水陆两用，突破极限工作环境“目前，球形机器人可以实现在所有非友好环境（极限环境）下长时间生存和工作”，王酉在介绍球形机器人的应用时表示，包括复杂地形、极端天气、恶劣环境、对抗场景等在内，机器人都可以实现长时间的工作运行。复杂的地形地貌，包括野外、滩涂、岩砾、沙漠等；极端的天气条件，包括暴雨、暴雪、雷击、台风、沙尘暴等；恶劣及危险的工作环境，具有腐蚀性、放射性、易燃、易爆等特性；危险及对抗性业务场景中，包括跌落、碰撞、暴力击打、战场环境等。同时，在不同场景可以应用不同的运动模式，在陆地通过重心改变进行滚动，在水域通过螺旋桨进行推进，实现水域、陆地全地形运动。球形机器人能够实现两栖的核心原因在于，其内部是全封闭的。进入水中，虽然其自身质量大，但是排水体积同样很大，所以球的吃水深度在 3/5 处左右，因此球形机器人可以浮在水面上。如果水位较深，超过 50 厘米，那么球就会浮起来；如果水深小于 50 厘米，这个时候球的一部分在水里，但是获得的浮力不能使其浮起来。在遇到这种情况时，如果是船体，就会发生搁浅或触礁，因为船体在水中无法移动，但球形机器人不一样，它本身在陆地上就逻腾王酉：球形机器人布局千亿市场 2023 年第 4 期 71是可以进行滚动的，所以如果吃水深度不够，那么机器人就可以采用滚动的方式进行运动。因此，无论水深水浅，球形机器人都能够适应，只是运动方式会有所不同。同时，对水深没有任何要求，是水陆两栖机器人最大的特点。只有水的浑浊度对机器人有一些影响，主要影响是对机器人的感知系统，对球的运动是没有任何影响的。目前，经过实际场景的检验，RT-G机器人在大暴雨、大暴雪、大冰雹、强浓雾、重度霾、8 级风、雷击严酷等级 4 级、里氏 5.5 级地震、零下 45 度到零上 85 度的环境中，都实现了功能的正常运转。产业应用布局千亿市场目前，智能球形机器人在民航机场、地下管廊、能源、化工等关键要害领域中被用于安全防范、监控巡检，及反恐维稳等警用勤务，并且在多家民航机场、地下综合管廊、石油化工园区，及公安机关已投入使用。三大应用场景，即特殊行业要求场景：机场围界安保；恶劣环境场景：核电站巡检；强对抗性场景：警用、防爆、处突。机器人可以有效降低人力成本，但是场景也对机器人提出了其他的要求。在不同路面条件下保持高速运行，长时间可靠稳定地工作，以及突发情况的处置能力。在特殊环境中，可以适应恶劣地形并抵抗环境威胁。在对抗性场景中，具备强适应性，同时水陆两栖运行，使其可以适应包括军、警等特殊对抗场景的应用。球形机器人具备运动平稳不倾覆、机动灵活噪音低、水陆两栖全地形运用、人机环境感知能力强等特点，并且在非友好环境下能够长时间执行巡逻、监控、探测、救生、对抗、处置，以及查打一体等多种任务。目前，智能球形机器人已经完成了技术验证阶段，但是在应用层面，还没有形成规模。对于用户而言，新型的技术、产品需要长时间、多次的验证和测试。“球形机器人会达到一个什么量级的市场规模，我认为应该会与四足以及腿足机器人的市场规模相当，是一个千亿级别的庞大需求市场”，王酉在谈及球形机器人未来市场规模时表示。球形机器人与四足、多足机器人比较，其滚动的运动方式摩擦力极小，能量效率是腿足机器人的8 9 倍，并且可以连续工作 10 小时，行驶 120 公里，虽然在爬楼梯等极个别场景中存在一定的缺陷，但是在大部分移动场景中，其优势格外突出。而双足机器人在技术层面，不具备市场应用水平。因此，不论从成本，还是效能，球形机器人的应用较之四足、多足机器人都有着明显的优势。期待在不久的将来，球形机器人能够与其他类型机器人一同服务好各行各业，全面实现“机器换人”应用。在线阅读（节选）