特斯拉蛇形机器人太吸睛!扭动身体画面很魔性

来源：中国数字科技馆

埃隆.马斯克这样描述未来特斯拉汽车充电的情形：把车停在咖啡馆，你进去喝杯咖啡，特斯拉会自己找到最近的充电桩，充电桩的线也会自动插到充电口。

整个过程就像上图演示的那样。当车辆停好之后，蛇形充电头会自动弯下身来，寻找车上的充电接口，并且自动与充电接口连接在一起，开始充电。整个过程不需要人工参与。

有媒体表示，特斯拉的充电机械蛇与德国厂商Festo的仿生手很相似。Festo的仿生手曾经获得了2010年的德国未来奖。

蛇形机器人研究从1976年就已经开始。但是产品级作品没听说过。为什么？此类机器人的主要问题在于自由度数高，又是串行结构难以控制。同样长度的机械臂，为实现蛇形的灵活度需要的关节数很多。特斯拉这条机械臂，上面有大约二十节。这给机械结构和控制方法都提出了很高要求。

机械结构蛇形机器人说白了就是串行机械臂，有三类基本结构。最简单的就是像普通机械臂一样，每个电机控制一个关节，像这样：

可以爬树侦查但是这种结构一般都是做上图那种自由机器人，而固定基座的机械臂则很难做到很多节，因为电机的承重随电机数目和到末端的距离是线性增长的，从根部数第二个电机既要承受相当大重量，又要保持体积，制作难度非常大。第二种是将驱动器全部置于基座内，利用机械传动实现各个关节的控制。这是当今此类机器人的主流，此次特斯拉的机器人看上去也是采用这种方式。

如何实现高效的机械传动？传动结构一直是蛇形机器人的研究重点和难点。它大多采用线传动的方式进行动力传送，传动线和机器人连杆之间的摩擦将会对机器人的可靠性产生很大的影响，对机器人使用的材料提出很高的耐磨要求。

第三种是连续型结构，特点是整个机器人的电机数目（通常小于10个）小于机械结构的自由度数（通常10个以上，对于软结构而言是无穷多）。代表作品是Festo著名的气动象鼻：特斯拉此款机器人也有可能是这种结构，不是说它是气动软结构，而是说它未必每个关节都配一个电机。

就像人的手指一根筋可以拉动3个关节一样，这种控制方式称为欠驱动。控制方式控制方式分两类。对于硬连杆式的机器人，其控制方式与普通的机械臂并无本质差别，其运动学模型也可以用DH参数建模，而动力学模型由于机器人运动缓慢基本可以忽略重力和负载以外的因素，唯一的问题是由于自由度数太大，即使是运动学模型也往往过于复杂。

普通工业机器人最常见的是6自由度，因为这样刚好足够让末端手臂到达任何位置、姿态。即使是6维，把其末端位置表示成六个关节角的函数也得写满满3页纸（好像是Motoman干过这件事），而当自由度涨到10时，这个表达式写成txt文本文档的大小是按MB计的（我干过这事）。所以与其用精确模型得到精确求解，更快、更实用的方式是用低阶近似模型迭代优化求解。

具体说来，原本机器人模型复杂度随自由度数目增加是指数增长，这个式子可以一步求解，但是太复杂。于是现在用一个局部线性化之类的方法，把得到一个随自由度数线性增长的近似模型，其复杂度一下子变得可以忽略，计算机瞬间可以得到解；但是精度只在当前机器人姿态附近比较高。

没关系，那我们就只用这一小段嘛，这个几毫秒内算出来的模型，我们只用它50毫秒，就更新重新计算个模型，这样在这50ms内，模型还是比较精确的。另一大类思路用到概率论，大名鼎鼎的Rapidly-Exploring Random Tree（RRT）就是此类方法中的经典。

简单说来，就是我虽然不知道怎么动我的二十个关节来让末端往目标方向移动，但我可以跑仿真尝试嘛。每一次尝试就是一次采样，而RRT就是提供了一种如何用最少采样次数得知正确解的方法。连杆式机器人说完了。对于连续型机器人，情况麻烦了许多，由于关节间不存在线形关系，所以运动学计算非常难以得到精确解。流行的解决方法是将机器人的形状用一定的曲线（比如万能的贝塞尔）来近似，用少量几个参数来进行编码，从而获得可以处理的模型。

特斯拉的这款机器人，其实控制算法难度并不大，大约20个自由度，运动速度比较缓慢，基本可以忽略动力学特性。难点在硬件。看动作精度可以判断不是气动，此类机器人一般不用液压，那么最有可能还是用电机那么大的机械臂，动作如此稳定，一点超调抖动都看不出来，这就是实力了。

Festo研发团队的设计灵感来自于大象的鼻子，他们分析了其结构和功能，并加上了最先进的制造技术，创造了这个全新的仿生搬运助理。仿生搬运助理具有十一个自由度，可胜任特定的运输方向，而传统搬运系统只能用于直线运输方向。

Festo仿生手的结构十分灵活，只有在需要气动控制时，才稍显僵硬，所以可沿着所需路径前行。与常规的工业机械手不同，仿生搬运助理符合安全规定，无需与人隔开。

仿生搬运助理在任何工作状态下都能保证安全性，可用于需要机器支持，但又不会对人造成伤害的应用场合。可应用于农业、家庭、护理机构或用做工业搬运系统支持装配过程。

其材料主要由塑料管制成，不仅优雅灵活伸紧自如，还能像大象用鼻子卷起物体的动作一样，通过伸展和卷曲来进行搬运、装卸的工作，更能解决长期困扰工业机器人的安全问题。

将它与全自动系统装置连接在一起以后，电阻传感器会采集接触力信号，以辅助其姿态控制，塑料管就如同操作工人的第三只手一样灵活有力，大大便利了汽车组装一类的工作。整个机械象鼻摈弃了传统机械手笨重的液气压或电机驱动方式。

虽然这种仿生机器手行动缓慢，因而在工业生产线上毫无用武之地。但它相比机器手更加安全，因此在充电站这种有人的环境中，仿生手无疑将会是最适合的自动充电设备。

特斯拉正在研发一种类似金属蛇的充电器，并且适配现在全部的Model S车型。我们现在看到只是这款自动充电桩的工作演示，它的最终形态将会被隐藏在墙体内，只有充电时才会伸出充电口为汽车充电。

这种仿生学机器人有些像蛇又像虫子，第一次看到会给一些朋友带来不适的感觉。但是很快就会被它科技感十足的造型所吸引，质感和细节上的精致堪比艺术品。

功能上看，这个技术不但酷，而且能为车主节省大量的时间和精力。特斯拉电动车停进车库后，进入感应范围内充电口的盖子自动打开，充电蛇根据三维运算移动到特定位置为其充电。

将加油步骤由传统的：缴费、打开油箱盖、拿起油嘴把手、选择油号、油嘴插入油箱、等待几分钟、抽出油嘴放回原处、关上油箱盖、开车回家，简化为开车回家一个步骤。

相比于无线充电的电磁感应技术，有线充电技术在处理高功率输出时会更加有效。此项技术成熟后，亦有望在立体停车库新能源汽车自动充电方面大显身手。