maxon Story
机器人同伴
偏远的海上设施、尘土飞扬的矿井、肮脏的下水道：人们创造出这类环境，本身的目的是为人类服务。但在这样的环境中作业非常危险。有解决方法吗？ANYbotics 公司的机器狗，可以在这类环境中自主地进行检测。我们前往苏黎世参观了这个欧洲最大的机器人技术团队之一。
不断跌倒，不断爬起。周而复始，循环往复。我的脚应该落在哪里？我应该怎样用力？我如何控制平衡？当幼儿学习行走时，他们会在几个星期内摸索出一套自己的动作方式。Péter Fankhauser的“宝宝”也用相似的方式学习行走——不过，它的腿由弹簧、传感器和电机构成。他自豪地报告说：“ANYmal在模拟中自己学会了爬楼梯。这台机器人只花了几个小时就学会了这一技能。还有更奇妙的，与人类不同，几千台ANYmal可以与它一起学习。这是因为我们创建了多个虚拟副本。”这些副本全都有一个共同目标，比如尽快学会如何爬上楼梯。然后，我们再加入各种干扰因素，比如传感器噪声或者风。这样，程序就可以学会如何独立处理上述情况。“一旦模拟的学习过程达到最佳水准，我们就会将控制权移交给所有真正的机器人”，Fankhauser说。
这位拥有机器人技术学科博士学位的工程师，坐在会议室里色彩缤纷的休闲沙发上，以极快的语速轻松谈论着这款检测机器人。ANYbotics公司是苏黎世联邦理工学院 (ETH) 派生出的公司，Péter Fankhauser与其他八名创始成员共同研发出这一款检测机器人。这款外形像狗一样的ANYmal机器人可在恶劣的工业和无人化环境中自主地行动——既不需要人工控制，也不需要WiFi连接。最特别的一点是：这里所说的环境并不需要像大型工厂车间或仓库那样专为机器人设计。不，即使是在专为人类行动而设计的空间里，我们这个四条腿的助手也可以自行找到正确的路。Fankhauser为我们展示了一些YouTube视频：影片中的机器狗可以在陡峭的钢梯上来去自如，也可以在遍布树根和碎石的林间小路上自在行走。它还可以在狭窄的钢梁上保持平衡、在火车下爬行，并安全地穿越如蛇一般盘绕在地面上的线缆圈。ANYmal可以轻松地涉水而过，可以在沙尘暴中生存，即使是在雪地上行走也不会滑倒。我们甚至还可以看到它在复活节的高峰时段倒退着行走，并挨家逐户地送去巧克力兔子。在这样的环境下，即使是人类本身也需要高度集中注意力。
微笑机器人
那么，机器人是如何做到的？程特别困难吗？“不，编程其实相对简单”，我们的专家向我们保证说。在苏黎世的参观过程中，我们了解到许多幕后信息。在ANYbotics的综合办公大楼内不仅有办公室和会议室，还有测试中心和生产设施。进入这栋大楼时，你会意识到空气中有些不同寻常的味道，也许是取得进展时收获的战栗。那种知晓要发生变化而带来的兴奋感，就好像正站在重大突破的边缘，成为见证伟大事业的其中一员。穿着牛仔裤和T恤衫的人们用英语热情地向你问好。来自21个国家的人们相聚于此，与一年前相比，员工数量增加了25人。ANYbotics刚刚租下更多的办公空间，并且最近从投资人那里获得2,000万瑞士法郎的资金。这笔钱将全部用于最新款ANYmal型号（D型）的商业化。这也会带来一些结构上的变化：当前，这样一个小型内部团队每周可制造大约一个机器人，但从2022年起，检测机器人将由瑞士的合作伙伴在装配线上进行批量生产。
虽然业务方面出现上升趋势，但ANYbotics仍努力保持脚踏实地。这里还保持着创业公司的氛围：在开放式的大型办公室内悬挂着写有各种复杂公式和图表的白板，其间零星出现几个动漫人物，就像刚从漫画里出逃一样。办公桌的台灯上趴着一些毛绒动物。厨房里挂着上一次团队竞赛的获奖作品；还有各种各样的ANYmal油画：ANYmal站在独角兽背上挥手、ANYmal在海中穿行、ANYmal在太空中漂浮。在这些油画旁边，挂着一幅巨大的世界地图：上面贴满了来自世界各地的客户的照片。在地图的最中央：就是看起来非常友好的机器人，或奔跑，或静坐，或等待。“早在设计和制造C原型时，我们不仅会关注机器人的功能性，同时也会关注它的外观设计所能引发的情感共鸣：我们不断尝试寻找合适的眼部位置，努力让它们看起来更加友好。同时，眼睛也用作机器人的通风口。深度摄像头构成了机器人的嘴。我们在上面设计了一个小小的像嘴唇一样的斜面，让它们看起来像是在微笑。这样的细节都能引发积极的联想”，Fankhauser说。最新型号却有一张截然不同的面孔，因为ANYmal D必须要设计得更加坚固，才能适合工业环境内的应用。尽管如此，这款后续型号看起来也满怀善意。“我们希望创造出一个友好、可靠、实用的机器人助手，能为人类提供帮助。毕竟，它们应该成为人类劳动力的补充。所以，它们必须向人们传达这样的信号：我是来帮助你的。顺带一提，这可不包括军警行动。”
它可以看，可以闻，可以听，还可以高声呼叫
日常检测工作尤其适合使用ANYmal进行自动巡检。ANYbotics公司的首席执行官通过一系列数字证明，投资ANYmal很快就能获得回报：“因修理设备而导致停产的每一天，都会给工厂的运营者带来数十万瑞士法郎的损失。因此，设备在运行中的问题越少越好。”截至目前，负责进行巡检的主要是工作人员。“这样的工作颇具成效——至少他们熟知工厂并且拥有丰富的经验。但这项工作相当耗费时间和成本，有时还很危险。”毕竟，在海上设施、下水道或者矿井中，工作人员会暴露在高压、电力、危险气体、有毒物质、灰尘以及污染源中。因此，如果由人类来检查设施，那么就必须先关停这些设施——这就会造成巨大的成本损耗。另外还有运输费用的问题。“必须将专业人员送到这些设施上。但使用直升机的费用一次就超过3万瑞士法郎。”Fankhauser摇着头补充说：“有时，仅仅是为了打开一个开关，就需要用直升机将工作人员送到钻井平台上。”在海上设施领域，使用ANYmal只需要几个星期就可以收回成本。
当然，也可以选择在设施中装备大量传感器，以检测运行期间的异常情况。但是，这一种做法也非常繁琐，而且成本很高。“每个传感器只能测量整套系统的一小部分，而且在一段时间后必须更换”，Fankhauser观察后说。相比之下，机器人的优势在于它的设计使用寿命相对较长（事实上可以连续运行三年），并且可以同时执行多项任务：这只机器狗身强力壮，可以负重行走。借助配备的摄像头和探测器，它可以看，可以闻，可以听，甚至能够大声“喊叫”报警：它可以读取和传输来自测量仪器的数据，可以拍摄热图像并进行声学测量。这样，它就能发现并报告气体泄漏、机器异常噪声以及泵的异常振动。
强大的电机，极短的学习时间
现在问题来了，ANYmal如何做到在困难地形中安全移动呢？它如何熟悉地形？Fankhauser说：“一种方法是带着ANYmal去现场，就像培训新员工一样，向它展示应该完成的任务。当机器人在设施现场穿行并熟悉地形时，我们也带着操纵杆在一旁陪同，并创建一幅三维地图。要在设施中执行一小时的检测工作，机器人需要大约半天的学习时间。”另外还有一种更简单的方法，那就是虚拟学习。但前提是已创建了工厂设施的数字模型。
机器人可以在传感器的帮助下识别方向，并在专为这款机器人研发的电机帮助下行走。“我们清楚地意识到，我们需要适合自己的驱动装置：它必须既轻巧又强大。出于这个原因，我们最终与maxon结成了伙伴关系。我们两家公司不仅在企业文化上非常契合，现在甚至就在隔壁工作。”这款机器狗的四肢中各安装三台驱动装置，总的来说，ANYmal中一共安装十二个执行器。它们驱动机器狗产生行走动作、使腿部向外或向后倾斜并使膝盖弯曲。“在各种表面上行走时，至关重要的一点就是如何控制好力量。奔跑时所产生的冲击能量也需要吸收。因此，我们与maxon合作研发出一套配有弹簧的系统，可以模仿肌肉和肌腱的结构。”
解决方法和重重挑战
在ANYbotics公司的测试中心，几乎已堆到天花板的披萨盒之塔见证了无数个漫长的白天和短暂的夜晚。这里的椅子、桌子和电脑被拼凑成一个竞技场，设计师们就在这里收集数据并进行分析。在竞技场中，重达五十公斤的机器人需要完成上下楼梯、越过砖块等障碍这类动作。与机器保持安全距离是所有员工的必修课。完成安全认证花费了公司大量的时间和精力。“现在，我们已经通过了所有安全认证：我们与外部的专业实验室合作，共同实施了电气和机械安全方案。”为客户提供安全防范培训也有助于将风险降到最低。
90分钟后，ANYmal的电量告罄。它自己也意识到了这一点，于是跺着脚走向它的对接站，然后就像母鸡孵蛋一样坐在对接站上面。Fankhauser解释说：“在YouTube上可以看到非常酷炫的机器狗上楼梯的视频，但这只是解决方案的一小部分。”这位首席执行官指着计算机上的实时屏幕说：“你必须弄清楚，如何将检测数据送到客户手中？我们提供的是一套端到端的检测解决方案。这套软件配备年度使用许可证，并包括软件更新和技术支持。”
另外，还有一些挑战亟待解决：比如，如果有人把门关上了该怎么办？这时，ANYmal就会站在紧闭的门前不知所措。而且，它还不能可靠地检测锈迹或裂缝。另外，ANYmal还需要能够立即自主执行危险的维护作业。苏黎世的团队目前也正在进行配备抓臂的各种实验。有一点是肯定的：这款友好的机器人会继续努力学习，披萨盒之塔也会越来越高。