特斯拉人形机器人亮相，背后有哪些技术细节？

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“特斯拉是有四个轮子的机器人，而Optimus就是有两条腿的机器人。”
            北京时间10月1日，特斯拉CEO马斯克在2022年AI Day上，正式发布人形机器人擎天柱Optimus原型机，展示了人形机器人在汽车工厂搬运箱子、浇植物、移动金属棒的视频。
# I; Y, r8 M6 z% d+ h; s8 J, _8 o4 _            “擎天柱”在搬运箱子            
; @( K1 d& }+ \2 |& q' R- G6 Z            马斯克一直在强调“我们就是想尽快设计出有用的量产机器人”，售价要在2万美元左右，3～5年内实现量产。这决定了机器人的整体设计路线，走的并不是如波士顿动力一样“高大上”的实验室路线。
4 A) D' Q4 {  Z" g+ M            “擎天柱”的整体情况
            在去年AI Day上介绍特斯拉机器人的概念以后，“擎天柱”一共迭代了三个版本。最新一代的“擎天柱”身高170cm，体重73kg，用电功率在静坐时为100W，快走时500W，全身有200多个自由度，手部27个自由度。
            “擎天柱”的内部构造            
            设计“擎天柱”的过程中，为了减少功耗，特斯拉将配电和计算集中到躯干中心，在躯干里装了一个2.3千瓦时的电池组，并且还搭载着特斯拉自研的SoC芯片，配备Wi-Fi和LTE连接网络。特斯拉官方称，这个电池组能够维持机器人一整天的工作，但有媒体根据已知的数据测算，如果不间断地工作，“擎天柱”的续航时间大概在1.5-2小时之间。
7 H  h( b6 H; u3 e2 K+ q            在大脑部分，特斯拉的全自动驾驶系统FSD直接被应用在擎天柱身上，但由于人形机器人的需求和形式与汽车仍然存在差异，因此，还做了三方面的改变。
5 O& {1 m1 S( @/ J1 `            首先，基于多个感官传感输入，让机器人能够处理视觉数据并做出决策；其次，有很多无线连接和音频支持通信。另外，在硬件上，“擎天柱”也需要确保安全性，包括保护机器人本身和机器人周围的人，这就涉及到机器人的四肢控制。
3 ?$ W& @$ \, }' M7 {            机器人的结构基础上，人形机器人复用了特斯拉汽车基于物理的生产能力以及模拟能力，让用于汽车撞击实验的软件也来做机器人的撞击实验，进行损害破坏的控制，防止昂贵的“大脑”过度损伤。同时，“擎天柱”身上有很多的执行器，通过这些执行器可以让人形机器人完成比如上楼、下蹲、拿东西等各类任务。
8 H' i. C% P5 O6 b; ?  p            “擎天柱”靠什么动起来？
            实现这些动作就需要设定相应的指标，而这些设计也来自于一些生物学的非线性原理。通过展示出机器人在进行上楼梯、下蹲等动作时，关节会呈现什么样的压力曲线，来满足安全性的相关要求。另外，动作的实施也对执行器的扭矩提出相关要求。
' \/ I" X) q3 o3 L            那么“擎天柱 ”的执行器是如何设计、生产出来的呢？
            在机器人身上，执行器所执行的工作与关节所要承受的压力相关，在实践之前需要先进行验证，将相关参数放到优化模型中来适应不同的场景，根据任务所需能耗和时间来对执行器的成本进行详细设计。因此，特斯拉先对“擎天柱”的28个结构执行器进行共性分析，测试如何让执行器可以满足多于一个关节的要求，再进行点云解析。
/ g; A& I. O* D! M/ a2 o            点云解析            
  D3 g: g8 o# I, e9 L3 X# x6 ]            发布会上透露，执行器一共有6种不同的设计，它们的扭矩、输出力和质量都完全不同。机器人身体不同部分的关节自由度各不相同，因此需要在极限情况下对执行器进行测试。AI DAY的现场，通过一段提起一架将近半吨的钢琴的视频，对执行器的承压能力进行了演示。
            6种不同设计的执行器            
            在手部的抓取上，特斯拉的人形机器人团队为“擎天柱”设计了金属基件，通过金属基件驱动机器人的手，能够抓取很小、很薄的东西。此外，“擎天柱”的手指上还装有手指驱动器，离合机制让机器人即使不打开手也能够进行活动。
            “擎天柱”的手部关节展示            
            “擎天柱”如何实现看得见、走得稳？
            “擎天柱”机器人采用了和汽车一样的感知方案——用摄像头输入数据，以神经网络进行计算。同时，在运动、规划和控制性上，特斯拉已经在汽车场景上积累了不少经验，形成了一套FSD系统，而运动规划的沉淀又可以复用到机器人上，生成机器人运动学模型进行相应的路径规划。
0 G  o- A7 d( F7 {, M7 a+ h& @            为了让人形机器人对时间和空间形成一定的记忆，特斯拉对“擎天柱”进行了一系列的训练，改善了占用网络使用方法，使得机器人能够更准确、快速地识别行驶区域。此外，还运用了大量的渲染，让人形机器人能够与现实环境更好地互动。
" `& _/ J0 i7 l: }3 v$ s            机器人看到的世界            
0 n' H" `+ Y7 N" b! A3 |            在人形机器人关键的运动控制方面，虽然“擎天柱”目前能够实现整体的平衡，但在现实中，机器人不仅要有对于自身物理存在的感知以及对周围环境的完整感知，还需要让运动轨迹和机器人可以提供的支撑力量更好地结合，防止跌跌撞撞的情况发生，扭矩是其中非常重要的一个因素。
            只有使用传感器和计算机视觉对周围世界的感知进行动态评估，才能确保机器人保持良好的姿态和步态。
            为此，特斯拉通过对动作进行捕捉后，做可视化处理，形成“关键帧”。躯干、手、腿的位置都会做详细的关键帧分析，再将这些数据映射到机器人身上，更好地实现轨迹优化。
            目前，特斯拉已经搜集了很多数据并建立了可用的数据库，通过轨迹优化程序让机器人能够更好地了解自己的物理位置以及物理轨迹。
) X* ~& ^$ S8 z; q1 k7 n            运动轨迹            
            这个被网友戏称，跟小米的“铁大”住在同一个养老院的“擎天柱”虽然目前功能并不完善，甚至走得都不算稳健，但马斯克对人形机器人的未来依然充满信心：“擎天柱预计产量非常高，未来可达数百万台。价格将比汽车低得多，可能不到2万美元。”
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