上海本土机器人狂飙，揭秘背后频频“救场”的工程师

转自：李晔

9年前，还在上海交大读博时，汪辉就已加入上海机器人公司节卡团队。当年，放眼上海制造业中那些机器人上岗的刚需场景，均由ABB、发那科、安川、库卡“四大家族”一统天下，中国本土机器人几无立锥之地。而今，状况已大不相同。中科新松开启我国协作机器人与世界先进水平从“跟跑”向“并跑”的转变；节卡成功杀入高门槛“丰田系”；服务机器人如达闼、擎朗等品牌，疫情中无惧感染，支援武汉、上海多个方舱医院的无人化服务，将机器人如科幻片般的大场地、高动态、超复杂多机协同照入现实。

达闼服务机器人。受访者供图

殊不知，机器人行云流水背后，有一群殚精竭虑的工程师。正是他们不停救场、优化、补漏，才换来本土机器人愈发“机”智过人。解锁场景国内某风机叶片厂的探伤检测员此刻正一筹莫展。风机叶片动辄上百米长，生产完成后，须对叶片上的鼓包、褶皱、脱胶、裂痕等潜在缺陷进行检测。对每一叶片的探伤检测都需三人成团——一人开着升举平台车缓慢移动；一人拿着七八公斤重的检测探头，高举过头，逐一扫描；还有一人在旁配合喷水，“亦步亦趋”。升举平台车的晃动、检测员的体力不支和跌落风险，让探伤质量和效率一言难尽。这类任务能否交给机器？可行，但很难。

风叶机片。受访者供图

中科新松是破题者。中科新松产品方案部部长杨亮介绍，风机叶片呈非规则流线曲面，要实现机器人检测头在任何受力面均紧贴叶片，挑战巨大。最终的解决方案是——加固升举车体底座，避免车体晃动；协作机器人由升举车托举，在空中现场采集六维力传感器数据，优化控制算法，提升机械臂的运动韧性；根据叶片截面曲率变化，算法实时给予力控动态补偿，确保检测头与叶面贴合；针对叶片较长、叶片截面曲率差异过大问题，工程师则通过多组力控参数进行自适应调整。解锁这一探伤检测场景，杨亮最大的体会是：实战是最好的老师。“遇到这种棘手问题，最考验解题思路和耐力。但一旦破题，能力便如滚雪球般积累，并且由此及彼。如叶片探伤检测机器人完全可推演到叶片打磨、喷漆等同样需要逐一移动的场景。”与“四大家族”主打的工业机器人相比，中科新松的协作机器人可谓剑走偏锋。前者好比燃油车，后者则是新能源车。从丹麦优傲公司研制出全球首台协作机器人UR开始，迄今也不过15年。这个15岁的新物种，最大特点是不关“笼子”，不用像大功率、高成本的工业机器人那般设置围栏以防误入，而是倡导“我挑水来你浇园”的人机协同，部署成本低、安全易上手。

这或许是上海的睿智。追赶“燃油车”诚可贵，但换道超车似乎更有胜算。本土新物种起于青涩。节卡机器人专家汪辉回忆，节卡经三年技术攻关，于2017年正式推出JAKAZu系列协作机器人，并批量应用于国内化纤龙头企业的产线“上下料”环节。而今回首，这种机器人只是入门级。节卡后来要解锁的场景，技术难度节节上升。国内工厂出现的用工荒是一种倒逼，其中包括某知名国际品牌的蓝牙耳机代工厂，痛点在于涂胶。蓝牙耳机身材呈不规则弧线，内部腔体复杂，集成有音频、驱动、运动传感器等多模块，结构紧凑。工人需要在耳机坡面顶端的缝隙内精确涂胶20毫克，误差须控制在上下0.8毫克，涂胶精度、速度、稳定性缺一不可。工人们都抱怨，这工作太费眼神还乏味，想趁早离开。但蓝牙耳机涂胶工序的机器换人极具挑战，此前鲜有厂商涉足。汪辉亲历了攻关全过程。他介绍，节卡工程师们在机器人末端装载力控探头，并综合运用了力觉控制、运动控制和轨迹规划等技术，在狭小的耳机腔内进行探测，实时获取力控数据，并同步计算涂胶位置的受力变化，以确保涂胶的精准度。同时，随时微调机器人的运动速度与轨迹，确保涂胶时“一丝不抖”。

攀越门槛电子消费类产品、汽车制造，是当下上海协作机器人的集中应用领域，但实际上，这些领域的自动化程度本就很高。如汽车制造中，冲压、焊接、涂装等早已大范围部署工业机器人，协作机器人要从中求生，必须攀越门槛。如某汽车配件厂，其装配和质检环节本就有“四大家族”介入，但这两个环节的产线布局紧凑，部署工业机器人颇有些“用力过猛”。听说协作机器人的投资回报周期小于12个月，工厂不免心动，于是找到节卡，希望解决销轴装配环节的问题，并在两个月内解决。销轴装配流程是这样的——在动态的流水线上，要将已加工好的五六公斤重的销轴，依次转移到一个高达1.5米的料筐中，并按照间隔厘米的要求进行层层叠放。由于是动态的流水线，机械臂每次抓取销轴的位置均不固定，好比“人不可能两次踏入同一条河流”，这需要机械臂“手眼”协调，准确取料，一旦出现偏差，便可能伤人伤料。接过这一需求时，节卡工程师们都认为“理论可行”。然而，实地考察工厂后，汪辉发现问题棘手——工厂内光线忽明忽暗，会影响机器人的视觉表现。同时流水线处于多粉尘、重油污环境中，对机器人的感知和判断构成巨大干扰。协作机器人要想取代工业机器人，成本显然有优势，但性能和稳定性绝不能输。汪辉回忆，当时有两位服务工程师冲在前线，机械工程师、视觉工程师和应用工程师等技术专家则在后方支援。团队采用了多种先进算法，包括动力学控制、高精度伺服控制和末端抖动抑制等。尤其是为克服电机低速运行时的卡顿问题，团队集中攻关，通过无数次测试和验证，最终采用标定和补偿电机齿槽转矩的方法，实现了电机的平稳运行，满足了生产需求。整个团队在非常短的工期内轮流24小时不间断调试、验证和纠偏，全力以赴让项目顺利落地，“这其中没有任何捷径可言”，汪辉说。如今，节卡、新松已解锁数百场景，为数千家国内外客户提供服务，其中就包括高门槛的“丰田系”工厂以及安全认证极严苛的“欧洲圈”。

中科新松协作机器人在汽车相关产线服务。受访者供图

中科新松现已实现国产协作机器人在大众汽车主机厂应用的零的突破。大众全球准入体系严苛得令人生畏，其中每一项安全功能的MTTF（平均失效前时间）都要达到100年。这是个投入巨大、非常消耗意志且不可回头的安全认证之路。“比如，针对大众生产线上的‘螺钉拧紧’工作场景，我们需要基于机械、电气、热等危险伤害风险，以及机器人运行速度能量等近30个维度，逐条进行失效概率分析。”亲身参与这一场景的中科新松工程师东文华说，工程师们每周都耗在车间，与工厂不断沟通，“最终用整整一年的零故障运行结果来证明，协作机器人在高节拍、零故障停机率场景下完全能稳定可靠运行。”天津丰津汽车传动部件有限公司，则是首家部署节卡协作机器人的“丰田系”工厂。2020年，丰津同时选择了国内三家协作机器人供应商作为考察对象，仅向节卡就前后派出50批次考察人员，历时半年。节卡必须配合客户完成全系列的标准测试，包括那些看似“没必要”的标准。比如“机械人碰撞全臂保护”，旨在确保人机交互时的绝对安全。这意味着机械人的任一部位，对于外界任何或轻或重的触碰，都必须同样灵敏。难度可想而知——机械人末端小巧紧凑，可一推便停，但机械人底部体积较大，不容易推动。要求机械臂底部也做到一碰就停，与要求一位“钢铁直男”细腻谨慎同样具挑战性。面对如此严格的要求，节卡团队付出了不懈努力。即便最后到部署和调试阶段也不敢怠慢，只能见缝插针。当年，在丰津部署机器人的工程师说：“我们上线基本上是在原生产线空闲的时候，2020年过年时，工厂放假一周，我带了5个人小团队过去，最终用8天时间完成了从机器人安装、调试、试生产到正式生产的过程，以1人/1天/1台的效率实现快速部署。”目前，节卡在丰津已部署了百余套协作机器人。

节卡协作机器人。受访者供图

穷尽“意外”协作机器人之外，上海还有服务机器人。服务机器人的工程师们以“脑洞”和心思缜密著称。2020年武昌方舱医院内，装载着柔性关节的达闼服务机器人在远程看护、测量体温、消毒清洁等方面发挥主力。达闼成立于2015年，随着其服务机器人在迎宾、消杀、安防、配送等领域的广泛应用，交付工程师们愈发忙碌。张全跃最难忘的交付场景是上海图书馆新馆。根据需求，张全跃要在现场部署6台机器人负责迎宾和导览，机器人还要兼任馆内流动还书点——机器人背后装有收集筐，供读者自助还书。书载重到一定程度后，机器人会自行前往收书点，清空书后再返岗待命。

让机器人聪明稳妥地执行任务，首先要勾勒地图。这涉及导航定位，需借助激光雷达。激光雷达的工作原理是，由激光器发出脉冲激光，打到最近的目标物上，引起散射，一部分光波又反射到接收器上，由此测距。但是问题来了，达闼机器人的常见应用是为酒店、餐厅客人送餐，酒店走廊的长度和宽度有限，便于激光雷达测距。但上图新馆每层楼面积超过4000平方米，常常30米远都见不到立柱，同样的工作原理之下，激光雷达茫然了。场景倒逼创新。张全跃说，当时公司刚开始研发“视觉+激光”双维度定位法，属于临时上阵，再启用远距检测激光雷达，算法上也尽可能去适应长距离检测，结果地图准确率达到99%。但将地图数据“喂”给机器人、划定任务轨迹还只是第一步。穷尽各种“意外”，才是工程师们绕不开的重头。开馆前，“意外”全凭想象。比如，机器人长相像萌宠，当被围观时，该如何有理有节地离开？若被拖拽到角落或碰壁后出现定位丢失，该怎样重启任务？如果有顽皮的小朋友用书堆起围墙，机器人被围困其内，又该如何巧妙脱身？张全跃甚至考虑到，如果小朋友突然从机器人身旁一闪而过，机器人必须精准判别，“既保证小朋友的安全，又无须作出过激反应。”事实上，要确保机器人能迅速认清周边各种状况，这是最大挑战。试想，要让机器人挑出公共场所的吸烟者，听上去简单，但其中算法十分复杂。因为，必须把将笔放在嘴边或叼在嘴里的人排除在外，你说这难不难？所以，即便交付工程师们在开馆前“机关算尽”，开馆后的多个状况仍让他们始料未及。一次，机器人竟被远远拖离工作范围，距自动扶梯仅一米之遥，险些跌落。工程师们赶紧“打补丁”，让机器人随时保持警惕，一旦检测到方圆数米内存在水平落差，便自动锁死，做出最极端的自我保护。张全跃还曾调整算法，旨在让机器人能应对图书馆读者将饮料、饭盒放在机器人身上的可能情形。但他“失算”了，“我万万没想到，开馆后，竟有孩子索性坐在了机器人身上。”

于是，工程师们不停“救场”，把哪怕仅万分之一的发生几率也尽可能纳入算法，甚至期待各类匪夷所思的情形出现得更早一些。不久前，达闼一台在酒店服役的机器人，被醉酒的客人踹了几脚，致操作屏碎裂。此时的工程师们只想着优化算法。达闼交付经理王辰告诉记者，“我们回看视频监控，当时机器人在电梯内，正准备出电梯，但电梯门一开，一位醉酒客人进入。机器人已开始往后退让，但客人可能认为机器人挡道，酒意之下，对机器人施了拳脚。”心痛之余，王辰已在钻研让机器人实现更超前的预知和更及时的避让，他说：“唯有无限穷尽各种意外，机器人才会愈发聪明精进，因此每一次救场都是成长。”据记者了解，2022年二季度，上海首次发布机器人密度指数，规上企业机器人密度达260台/万人，是世界机器人密度平均水平的两倍多。在汽车、高端装备等重点产业，机器人密度更是高达383台/万人。这一指数的发布，也让上海成为全国首个将机器人密度纳入统计的城市。另外根据上海市经信委相关规划，至2025年，上海机器人关联产业规模有望达1000亿元，目标打造10家行业一流的机器人头部品牌。智能机器人产业在上海正进入发展黄金期，是名副其实的“核爆点”。但这一“核爆点”并非凭空产生，工程师们的经验、脑洞、解题思路、耐力，以及“由0到10”全过程创新的决心，一条都不能少。正如达闼联合创始人汪兵所言：“这条路或许道阻且长，但不好走的路，才是上坡路。”