春晚机器人练武火了！但你不知道它们为此摔了3000次

春晚机器人练武火了！但你不知道它们为此摔了3000次
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今天我们要聊一聊那些在春晚上大放异彩的武术机器人。它们背后其实是有很多非常复杂的工程整合的难题。而且他们也是通过无数次的摔倒，才能够最终站在这个舞台上，为我们带来这样精彩的表演。
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没错，这个背后的技术挑战还是非常值得聊的那我们就直接开始。
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我们先来说说这个机器人武术的整体的难度和它的技术的框架。为什么很多人会觉得机器人打拳好像就是播个动画，其实它背后到底有多复杂呢。
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说来就话长了。很多人以为机器人练武就是把动作录进去，然后播放就可以，但其实远没有那么简单。像宇树这种人形机器人，它能够完成这些武术的动作，是因为它集成了机械设计、自动控制，还有运动算法以及复杂的工程整合这一整套的技术，就像是机器人的一个内功心法一样。宇树也专门发了他们的机器人训练的幕后视频，真的是每一步都非常的不容易。
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说到这儿我就想问了，为什么像马步、弓步这种看似很基础的动作，对机器人来说其实是最最难的？
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对人来说，蹲马步主要靠肌肉的微调以及平衡感，但是机器人要维持一个马步，它得不断地计算自己的重心，然后同时控制好多个关节的力矩，还要时刻防止他的膝关节或者是踝关节因为过载而摔倒。所以简单来说，人蹲马步会累，机器人蹲马步会直接一屁股坐地上。
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我还有个疑问，像单腿支撑、踢腿、跳跃和翻转这些动作，机器人做起来又有哪些更棘手的难点？
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其实单腿支撑和踢腿对机器人来讲是非常难的，因为他单腿站着的时候，既要时刻维持自己的动态平衡，还要去预测自己身体的惯性，然后通过支撑脚去不断的实施调整力量。工程师经常会说，我这就像要让一根会动的棍子永远不倒一样。
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听上去就比想象中要复杂的多。
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是的，更难的其实是跳跃、旋转、翻转这种动作。因为机器人它只要一离开地面，它就没有办法再去控制自己的身体了。它只能在起跳的那一刻计算好，然后在空中做一些有限的调整，落地的时候还要承受好几倍于自己体重的冲击力。所以这就是为什么机器人要学会翻跟头，它只能依靠动力学模型反复的仿真训练以及无数次的摔倒。
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还有一个问题，为什么机器人集体表演比solo要难搞？
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因为集体表演不光是每一台机器人要把自己的动作做对，几十台机器人还要在时间上同步，运动轨迹一致，而且它们之间的通信还要非常的稳定可靠，不然的话就会看起来像广场舞一样各跳各的，完全没有那种整齐划一的震撼感了。
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原来是这样啊。那机器人的硬件设计，也就是筋骨皮这一块，它的关节电机要怎么去实现既能够输出非常大的力量，又可以做到非常精细的动作。
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这就不得不提到现在的人形机器人，它一般都用的是无刷电机，配合高精度的减速器以及力矩控制。这种配置既可以让它瞬间爆发出很大的力量，又可以让它做出很细腻的动作。就好比是它同时拥有了举重冠军的力气和舞蹈演员的那种控制力。
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明白了。那机器人是靠哪些传感器来保持自身平衡不至于摔倒的呢？
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一般来说核心的传感器有IMU，就是用来检测机器人的姿态和加速度的。然后还有编码器用来记录每个关节的角度以及足底力，传感器用来感知地面给它的反作用力。这些传感器会一起告诉机器人它自己的身体状态是什么样的。比如说它是不是快要摔倒了。
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那机器人的腿部结构在材料的选择上面有什么讲究吗？还有它的续航能力怎么样？
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腿部的话它必须要既轻盈又非常的坚固，还要有很好的抗冲击能力。所以一般都会用铝合金、工程塑料或者是一些复合材料，而且这些材料的配方往往都是各家公司的秘密武器。至于续航，其实机器人之所以只能表演很短的时间，就是因为现在的电池的能量密度比起我们人类吃一顿饭所获得的能量还是差的非常远的。
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好吧，下面我们来说说机器人的这个大脑和小脑，也就是它的控制算法。你能给我们讲讲机器人是怎么利用模型预测控制和全身动力学控制来实现这种动态平衡的吗？
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其实动态平衡的关键就在于控制系统会以每秒数百甚至上千次的频率不断的去计算和修正机器人的姿态。它其实一直在问自己，如果我再歪一点会不会倒？它会通过模型预测控制加上全身的动力学控制，来保证自己不会摔倒。
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这么说来机器人那些看起来非常流畅的动作，其实都是靠提前规划好的吗？
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没错，机器人能做出流畅的动作，并不是说它真的会武术，而是工程师提前给它设计好了非常平滑的轨迹，然后控制器会非常精确的去追踪这个轨迹。其实这就跟自动钢琴是一样的，它只是在复现一个编好的程序，而不是说它在现场即兴发挥。
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还有一个问题，在仿真环境里面训练机器人做这些动作到底有哪些好处？
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好处就在于工程师可以让机器人在虚拟的世界里面反复的去尝试，反复的去摔倒。即使摔倒几百万次也无所谓，反正也不需要去修它。但是你要知道，真正的舞台表演还是要把学习到的东西和精心的编排以及精准的控制结合起来的。他并不是说完全让机器人自己去发挥。
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那如果是好多机器人一起表演的话，怎么保证他们能够配合的那么整齐？
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这就需要通过非常精确的时间同步，然后有一个中央的调度系统，通过统一的控制和无线通信来指挥他们。其实这个原理跟无人机编队是差不多的。但是地面的机器人会更难一些，因为他们还要处理与地面的接触力和摩擦力，这个就比空中的机器人要复杂很多。
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既然说到了多机器人协作，那咱们来谈谈这个系统整合的难题和现实的挑战。为什么说真正让机器人能够在春晚这样的舞台上面进行全国直播的表演？其实最大的难点并不在于单个技术，而在于整个系统的整合。
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因为你想机械结构、控制系统、软件算法、通信模块这些东西全部都要在现场一次性的稳定的跑起来。这个难度是远远大于你单独去攻克某一个技术难题的。所以工程师在直播的时候比机器人还要紧张，因为每一个环节都不能掉链子。
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所以说现在的机器人武术表演跟大家想象中的自由发挥到底还有多大的差距。
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实际上现在的机器人它只能在非常平整，事先布置好的场地上面去做一些已经设计好的动作。它离在街头随随便便打一套太极拳还有很长的路要走。但是话说回来，五年前大家也都觉得机器人翻跟头是天方夜谭，所以谁知道未来会怎么样呢？
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确实然后咱们来聊一聊机器人武术的这个艺术和浪漫的气息。就是这些机器人在春晚上面的表现，有没有让你觉得机器人的运动其实也可以很有艺术感？
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我觉得他们已经用行动证明了一堆金属和代码也可以跳出非常优雅的舞步，这本身就已经很接近艺术了。而且工程师们常常要在深夜一点点的去微调参数，比如说把这个值从0.12调到0.11，就只为了让机器人落地的那一下看起来更轻柔。这种追求极致的浪漫其实是非常打动人的。
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OK, 我们今天聊了这么多关于春晚武术机器人背后的一些技术细节，从硬件到算法，从摔倒到舞蹈，每一步其实都藏着工程师们无数的心血和浪漫。
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这就是本期播客的全部内容了。然后感谢大家的收听，咱们下期再见，拜拜。