Tesla Bot

文章目錄

• Tesla Bot
• • 硬件架構(gòu)
  • 結(jié)構(gòu)仿真
  • 全身自由度
  • 靈巧手
  • 驅(qū)動(dòng)原理
  • 傳感器配置
  • 關(guān)節(jié)模組
  • 視覺(jué)
  • • 環(huán)境識(shí)別
    • 導(dǎo)航
  • 運(yùn)動(dòng)控制
  • 整機(jī)聯(lián)動(dòng)
  • 人形機(jī)器人
  • 參考

硬件架構(gòu)

Tesla Optimus最高時(shí)速為 5 英里/小時(shí)（8 公里/小時(shí)），身高 5 英尺 8 英寸（1.72 米），重 57 公斤。

特斯拉基于仿生構(gòu)建機(jī)器人平臺(tái)之后，再依據(jù)量產(chǎn)的成本，能耗效率，規(guī)模化等需求貫穿機(jī)器人開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程，例如減少運(yùn)動(dòng)部件中的零部件，來(lái)減重降能耗達(dá)到高效。動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)中央化，一塊2.3kWh，52V 鋰電池布置在機(jī)器人胸部，能量規(guī)劃支撐機(jī)器人兩天的運(yùn)行，一塊PCB板支持所有電池通訊以及充放電管理。預(yù)計(jì)量產(chǎn)后低于2w美元。

Tesla Optimus這套硬件架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定可控易實(shí)現(xiàn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)成本低，技術(shù)成熟，主要劣勢(shì)在于動(dòng)態(tài)性能差，自重大，難以支撐高動(dòng)態(tài)大幅度的運(yùn)動(dòng)性能。

結(jié)構(gòu)仿真

利用汽車仿真進(jìn)行機(jī)器人結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

• 從人體結(jié)構(gòu)中得到靈感，通過(guò)設(shè)計(jì)4個(gè)支點(diǎn)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)讓運(yùn)動(dòng)情況下電機(jī)的輸出是平順的從而保證能效性。

全身自由度

身體總自由度數(shù)目為28（不包括靈巧手），具體分布如下：

• 左臂/右臂：7+7，肩部3+肘部1+手腕3；
• 左腿/右腿：6+6，髖部3+膝蓋1+腳踝2；
• 腰部：2，Roll+Yaw；

腰部有2個(gè)自由度，形成了Roll+Yaw，這是Tesla做的非常好的地方，腰部增加額外的自由度，有助于各類仿生運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，相比較于小米鐵大缺失的腰部自由度，Optimus的一些動(dòng)作能夠呈現(xiàn)得更加自然，這是鐵大需要向Optimus學(xué)習(xí)借鑒的地方。不過(guò)腰部的兩個(gè)自由度設(shè)計(jì)也極具難度，整體上身的重量都?jí)涸谶@里，設(shè)計(jì)不佳極易造成上肢操作時(shí)的低剛度與抖動(dòng)，locomotion的時(shí)候頭部和手部的抖動(dòng)幅度大。

靈巧手

• 驅(qū)動(dòng)方式：繩驅(qū)；

• 自鎖能力：反向自鎖（通過(guò)電機(jī)輸出連接蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，猜測(cè)利用蝸輪蝸桿反向自鎖）；

• 6個(gè)自由度：拇指2自由度（1個(gè)擺動(dòng)，1個(gè)彎曲）；其余四指各1個(gè)自由度；

• 11個(gè)關(guān)節(jié)：拇指3個(gè)關(guān)節(jié)，其余四指各2各關(guān)節(jié)；每根手指均為2個(gè)指節(jié)聯(lián)動(dòng)彎曲；

• 負(fù)載能力：約9kg（實(shí)際為機(jī)械臂某個(gè)特殊工況的負(fù)載能力，和靈巧手無(wú)關(guān)）；

• 仿生性：繩驅(qū)，自適應(yīng)抓握，仿生性較好；

驅(qū)動(dòng)原理

通過(guò)仿真工具進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，綜合考慮成本和重量，得到六種關(guān)節(jié)，包括三種旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器，三種線性執(zhí)行器。

整體采用電池組供電，搭配電驅(qū)伺服關(guān)節(jié)的形式，其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用無(wú)框電機(jī)+雙編碼器+力矩傳感器+諧波的方案，和很多協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)一樣，有力矩傳感器加雙編碼器，能夠精確的獲得關(guān)節(jié)的力矩和輸入輸出位置信息，目前還不知道他的精度，精度和成本關(guān)系很大。

線性關(guān)節(jié)采用的無(wú)框電機(jī)+行星滾柱絲杠+力傳感器，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)整體的輸出扭矩密度和當(dāng)前各大人形機(jī)器人廠家的關(guān)節(jié)性能類似，線性關(guān)節(jié)能夠提足夠大得力輸出，但極大犧牲了輸出速度性能，可能會(huì)限制了下肢的高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)能力。

傳感器配置

類型視覺(jué)傳感器力覺(jué)傳感器位置傳感器IMU

描述	左/右柱相機(jī) 魚(yú)眼相機(jī)	關(guān)節(jié)集成非接觸式力矩傳感器	關(guān)節(jié)集成雙位置編碼器	NA

關(guān)節(jié)模組

• 上肢采用無(wú)框電機(jī)+諧波減速器的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)方案：

基本上和當(dāng)前協(xié)作機(jī)械臂的關(guān)節(jié)方案高度類似，無(wú)框力矩電機(jī)+諧波減速器+高低速雙編碼器+抱閘+力矩傳感器+輸出端交叉滾子軸承。這套方案我覺(jué)得如果是用在固定基的協(xié)作機(jī)械臂上沒(méi)有問(wèn)題，而用在浮動(dòng)基的雙足上，是不是會(huì)顯得太過(guò)笨重了，尤其是每個(gè)關(guān)節(jié)都集成抱閘。

• 下肢采用無(wú)框電機(jī)+行星絲杠的線性執(zhí)行器方案：

一般絲杠的傳動(dòng)精度高，輸出力能力強(qiáng)，但反驅(qū)透明度差，響應(yīng)速度偏慢，這套驅(qū)動(dòng)方案會(huì)極大限制下肢高動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)能力，同時(shí)成本也不低。

下肢這個(gè)關(guān)節(jié)方案較上肢關(guān)節(jié)相比缺少了抱閘，使用了本身就具備自鎖能力的行星絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為線性。

視覺(jué)

環(huán)境識(shí)別

特斯拉機(jī)器人采用3個(gè)攝像頭，應(yīng)該都布置在頭部，一個(gè)前部魚(yú)眼攝像頭，左右應(yīng)該各一個(gè)視覺(jué)攝像頭，通過(guò)這樣的視角布置基本模擬人類視角范圍，但這個(gè)視角范圍應(yīng)該超過(guò)180度。視覺(jué)采用的算法是和特斯拉汽車一樣的occupancy network 算法。

導(dǎo)航

特斯拉機(jī)器人采用興趣點(diǎn)提取的方法，在視頻流中逐幀跟蹤高頻興趣點(diǎn)，和關(guān)鍵點(diǎn)，來(lái)識(shí)別所在位置直到目標(biāo)地識(shí)別，這種算法目前還是比較高級(jí)也還在完善中。

前文中提到，視覺(jué)的相機(jī)硬件為左右單目相機(jī)+魚(yú)眼，硬件成本低，但算法復(fù)雜、計(jì)算力大，依賴于硬件。下圖中可以看到Optimus實(shí)現(xiàn)了精確的3D環(huán)境建模，同時(shí)通過(guò)雙目測(cè)距能實(shí)現(xiàn)非常清晰和高精度的深度圖像，非常有助于雙臂的末端精確抓取。

運(yùn)動(dòng)控制

行走對(duì)于機(jī)器人這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，他牽扯到機(jī)器人的自我意識(shí)，能耗最優(yōu)的步調(diào)，整機(jī)的平衡，動(dòng)作的協(xié)調(diào)。

機(jī)器人首先根據(jù)感知的環(huán)境規(guī)劃出期望的路徑，再計(jì)算出腳步，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)行走軌跡路線，當(dāng)然轉(zhuǎn)化到機(jī)器人上面是各個(gè)執(zhí)行器的扭矩速度輸出。

顯然規(guī)劃的時(shí)候是把環(huán)境看起來(lái)是完美的，機(jī)器人也是簡(jiǎn)化的，所以看起來(lái)容易，但現(xiàn)實(shí)世界控制確是異常的復(fù)雜，例如傳感器的噪聲，機(jī)器人的協(xié)調(diào)等等，所以特斯拉機(jī)器人對(duì)機(jī)器人的高度信息以及質(zhì)心進(jìn)行跟蹤用來(lái)判斷機(jī)器人的狀態(tài)，來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，但是行走，卻還關(guān)系整機(jī)的協(xié)調(diào)，這個(gè)時(shí)候就需要整機(jī)其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)例如手臂等一起聯(lián)動(dòng)了。

• 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

整體來(lái)說(shuō)，Optimus的下肢行走還是運(yùn)用的傳統(tǒng)Static-ZMP、Linear-ZMP或DCM的方案，和Asimo類似，適合平腳板雙足的慢速行走，抵抗外界大干擾能力較弱，動(dòng)態(tài)性差。這邊還提到了一個(gè)高效率的仿人步態(tài)，如下圖，擺足時(shí)考慮了Toe-off-heel strike，結(jié)合上半身的協(xié)調(diào)擺臂運(yùn)動(dòng)，融合人類行走的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自然擺臂、大跨步以及盡可能的直膝行走，提高了行走效率與姿態(tài)。

上肢操作首先借助動(dòng)捕取得的人體離線運(yùn)動(dòng)庫(kù)，然后進(jìn)行離線優(yōu)化與在線（針對(duì)具體任務(wù)場(chǎng)景的）優(yōu)化，構(gòu)建離線運(yùn)動(dòng)庫(kù)的時(shí)候可能會(huì)用到模仿學(xué)習(xí)的某些技術(shù)，手臂的軌跡規(guī)劃可能使用伯克利Trajopt的相關(guān)算法。

在仿真環(huán)境中訓(xùn)練出來(lái)的模型在真實(shí)環(huán)境中無(wú)法正常行走，通過(guò)引入真實(shí)世界的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)獲得適應(yīng)性

• 運(yùn)動(dòng)執(zhí)行

整機(jī)聯(lián)動(dòng)

特斯拉采取的方法是，先采集人類各種姿勢(shì)運(yùn)動(dòng)的自然聯(lián)動(dòng)參考，輸入給機(jī)器人，機(jī)器人再根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行調(diào)整，最后輸出給機(jī)器人控制。

自然運(yùn)動(dòng)參考

運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)

人形機(jī)器人

• 小米 cyber one

• 波士頓動(dòng)力Atlas機(jī)器人

參考

知乎 https://www.zhihu.com/question/557190222/answer/2698348338

知乎 https://www.zhihu.com/question/557190222/answer/2697301542

知乎 https://www.zhihu.com/question/529804102/answer/2697777545

知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/569946777

https://www.eet-china.com/mp/a165518.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Tesla Bot 特斯拉机器人介绍的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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