那一年，春晚拓荒牛背后的故事

2021 年春晚，优必选科技携限定“拓荒牛”机器人再一次登上了舞台。这是我们与春晚的第四次相遇。本文将为你揭秘“拓荒牛”机器人背后的故事。

01 研发四足机器人的初衷：

优必选科技在未来会更多地推动产品在科研教育、商业服务及安防巡检等场景落地，四足机器人的研发则符合这一发展方向。因其结构简单、部署方便的优势，能够帮助学生快速理解和实践基础 AI 和机器人知识，赋能高校科研教育；又因其在复杂环境中相比轮式和履带式的机器人有更好的运动能力，可以补充公司现有的产品生态，推动商业化应用落地，为各行各业提供智能服务。

02 春晚前的筹备：

2020 年初，依托 Walker 研发中积累的核心 AI 技术，优必选开始研发四足机器人。同年年底，面对牛年央视春晚的需求，约 20 名工程师在不到 3 个月的时间内攻克了力控关节、运动控制算法、自主定位导航算法等技术难点，设计研发出了春晚限定“拓荒牛”机器人。

03 “拓荒牛”形象的由来：

拓荒牛代表着深圳特区拼搏进取和创新发展的精神，它已深深融入了特区人的血脉之中。这也与优必选研发人员在研发机器人道路上从“少有人走的路”坚持到“被验证的真理”，不断摸索和试错、敢闯敢试、开拓进取的精神相吻合。因此，以深圳特区的拓荒牛为设计原型，是优必选作为深圳科创企业向拓荒牛精神的致敬，也是在以实力证明和诠释这种精神。

04 “拓荒牛”机器人的特别之处：

TA 特别在外形——“拓荒牛”机器人本体站立身高 83cm，重量为 60kg，最大负重达到 15kg，壮硕身材可媲美真实的牛。加上中国红、祥云线条和科技感灯光，牛气冲天。

TA 特别在力控——优必选的目的是设计一系列通用力控关节，采用的方案同时满足高精度高带宽力矩控制、较大的力矩/质量比，令其未来得以在公司其它产品上使用。

05 四足机器人动作与音乐的配合

优必选针对 Walker 机器人开发了“基于优化的全身运动控制”算法软件库，实现了多任务、多约束下的实时全动力学控制，并可被很好地移植到四足机器人上。因此，工程师只需要根据编舞老师的要求设计动作，软件库就可以自动计算出实现这些动作的力矩。同时，得益于自研实时控制器的高性能算力，复杂的运动规划和优化控制算法，能够稳定在 1kHZ 下实时完成，令 TA 与音乐配合起舞。

06 四足机器人的动作控制

“拓荒牛”机器人拥有 16 个自由度（每条腿 3 个、头部 3 个、尾巴 1 个），自主研发的高精度高带宽伺服驱动器令其足够灵活。而同样自主研发的高性能实时控制器则具有强实时性、算力可扩展，接口可配置等特点，可实现 ARM/GPU/X86/DSP 等不同硬件平台的组合配置，实现算力扩展和均衡，满足不同场景下的算力和功耗要求；支持 EtherCAT/CAN/RS485 多种总线实时通信，时间抖动可控制在微秒级。这保证了 TA 的各个“关节”精准地输入位置和力矩，令“拓荒牛”机器人在春晚舞台顺利演出。

07 四足机器人的导航定位

得益于自研定位导航系统，工程师们针对舞台现场非常宽阔、对称等特点，优化了激光雷达建图定位算法，快速部署，建立了舞台的 3D 地图，解决了高度对称环境和稀疏特征下的定位问题，让“拓荒牛”机器人在大舞台也不“怯场”。

08 四足机器人的研发难点

力控关节是首要的技术难题。团队通过正反驱固有频率匹配和惯量匹配的方法解决了电机、减速器、码盘、力矩反馈单元的选型问题，并在 2020 年 10 月研发出现在机器人上使用的两款力控关节。

步态算法的研发则是另一难点。全地形快速行走和舞蹈动作需要高动态运动控制算法，来实现给定轨迹的跟踪。优必选快速开发出了四足机器人步态控制算法，实现了全地形快速行走和舞蹈动作。