人形机器人历史沿革与产业链浅析.pdf

综述Review6机器人技术与应用 2023 40 引言近年来，随着全球高新技术尤其是人工智能领域的整体快速突破，机器人作为复合型智能赛道得以顺势迅猛发展。其中，长期代表机器人领域研究热点、尖端技术和探索前沿的人形机器人1，也迎来其发展史中的一个高峰。人类多年的研究实践，使人形机器人成为集机械、电子、材料、传感器甚至人机协作等多门技术学科于一体的高精尖领域，对周遭环境感知、硬件本体设计、运动控制能力等有着近乎极致的整合要求，并逐步形成复杂的跨领域高精尖产业链网络。目前，处于一线水准的人形机器人可实现的本体能力有：在特定区域内缓慢行走并探索、记忆环境；通过电机转矩控制能力，较精确把控动作力度大小；自主学习人类动作（如抓取地上不同形态的物体）的模拟数据，实现对相关动作行为的模仿等。未来，人形机器人将构成人类生产生活的重要参与者，并进一步成为衡量一国科技实力和国力水平的重要标志2。1 人形机器人的发展与现状人形机器人的发展史可追溯到 15 世纪的达芬奇时代，现代意义上的类人机器人研制源自 20 世纪上半叶的美国，但真正深入的研究则始于 20 世纪 60 年代。自那时算起，迄今为止人形机器人的发展可分为四个阶段。第一阶段是以日本早稻田大学打造的 WABOT-1 为代表的全尺寸机初步行走阶段；第二阶段是以本田人形机器人等为代表的系统高度集成的能力破冰时期；第三阶段是以强复合运动能力为特征的技术突破发展阶段，突出代表者为波士顿动力 Atlas；第四阶段是以特斯拉 Optimus 机器人为代表的产业化落地阶段，该阶段尚处于发展前期。本文以各阶段最具代表性的人形机器人为例加以说明。早稻田大学研制的 WABOT-1 于 1967 年诞生，该机器人高约 2m，重 160kg，配备肢体控制系统、视觉系统和语音交互系统，拥有仿人双手和双腿，全身共 26 个关节，胸部装有两个摄像头，手部装有触觉传感器。尽管WABOT-1 的行动能力仅相当于一岁多的婴儿，但它的问世代表人类已初步实现全尺寸人形机器人双足行走，意义重大。其主要创造者加藤一郎被誉为“世界仿人机器人之父”。本田公司的人形机器人 ASIMO 在 2000 年推出，能够实现 0-6km/h 的行走速度，可实时预测下一个动作并提前改变自身重心，还能与人握手、向人挥手，随音乐起舞等。该款机器人多年来历经数次迭代，最后一代具备多种综合能力，如可利用传感器避障、预先设定动作、依据人类声音和手势等指令采取相应动作、进行基础的记忆与辨识等3。波士顿动力 Atlas 机器人 2009 年问世，原型机于2013 年 7 月向公众公开。Atlas 采用液压驱动电液混合模式，融合了光学雷达、激光测距仪、TOF 深度传感器等设备的技术能力。经过几次优化，目前的 Atlas 通过 RGB摄像头和 TOF 深度传感器获取环境信息，利用模型预测控制器技术（MPC）跟踪动作、调整发力和姿势动作等，在 28 个液压驱动器的推动下可在复杂障碍环境内做出跳跃、翻滚、小跑、三级跳等一系列高难度动作。特斯拉 Optimus 机器人是目前人形机器人最前沿的代人形机器人历史沿革与产业链浅析 顾浩楠（TRI科技智库，江苏苏州，215299）摘 要人形机器人是由人工智能、控制技术、智能制造等多学科领域交织杂糅而成的类人智能体。本文简要概述了人形机器人发展历程及最新现状，阐述和拆解了其核心技术、主要部件和产业链图景，对人形机器人未来的发展和市场落地前景进行了展望。关键词：人形机器人，人工智能，智能控制，环境感知，能源优化综述Review7Robot Technique and Application2023 4表之一。Optimus 出现的意义不仅在于其具备精确把控动作力度、看路记路、根据人类动作范例进行端到端动作操控等惊人能力，更在于其与遍布全球道路、拥有大量数据和实践经验的特斯拉汽车共享神经网络（NN），且二者安装了相同的完全无人驾驶系统（Full Self-Driving，FSD）。FSD 包含多个传感器、计算机、人工智能技术和算法，以及导航和地图数据等，帮助汽车和机器人在各类环境中实现感知、决策和行动。特斯拉基于汽车的技术、品牌和市场积累，将通用能力尤其是在顶层数据和技术开发上的突破向机器人迁移，长期看这有助于人形机器人成本的下降。用埃隆马斯克的话说，自动驾驶的本质其实就是机器人。从人形机器人发展过程可以清晰看出，该领域一直朝着高度集成、感知环境、运动自如、精细操作、产业量化的方向迈进。在这一历史浪潮中，中国对人形机器人的探索起步虽晚却发展迅速。国防科技大学于 2001年 12 月独立研制出中国第一台仿人机器人4；目前中国人形机器人领域已有较知名代表小米 CyberOne、优必选WalkerX 等，其中 WalkerX 已实现初步的基础商业化；北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学等高校也在相关研究上积累颇丰。2 人形机器人核心技术、部件与产业链人形机器人发展的过程，也是其技术和产业链不断完善和壮大的过程。尽管不同的人形机器人所采用的技术可能有所不同，相关技术水平也在不断迭代，但很多技术具有相对普适性特征，且人形机器人相关技术研发及采纳的目标与核心主旨也始终大体相同。本文对部分相对具有普遍意义的重点技术、部件，以及人形机器人产业链情况进行简要梳理。2.1 人形机器人关键技术2.1.1 环境感知传感器与信号处理 人形机器人要像人类一样感知周遭环境，往往需要配置不止一个数据采集与环境认知（如视觉、声音、压感、光感等）传感器。多传感器信息融合技术通过对多个传感器及其观测信息的使用，将多传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述5。人形机器人只有对环境作出精确判断，才谈得上有效运动和高效作业。2.1.2 智能控制人形机器人作为一种机电智能复合体，要接近甚至超越人类执行任务的水准，出色的控制能力是基础，而这也会让控制电路呈现愈发复杂的趋势。举例概括而论：各类运动控制算法如水平反应控制、目标 ZMP 控制、步长位置控制等算法与控制系统、减速器、电机等融合运作，支撑人形机器人的行动。因此，为人形机器人配备更高质量的控制技术，也一直是业内重点研究的课题之一。2.1.3 本体设计及材料工艺人形机器人是拥有多个类人关节而具有冗余自由度的繁复机体，不断优化人形机器人的本体结构，对其高效准确地执行任务至关重要。与之密切关联的，是本体的材料工艺水准，因为其直接关系到机器人的承重、能耗、活动范围及运动能力等6。在研制人形机器人的过程中，应该考虑采用先进材料以减小本体重量，同时提高部件制造及装配精度。2.1.4 能源优化能源问题是人形机器人相关讨论中不太被提及的话题。但要使人形机器人脱离时空束缚、长时间在不同场景下廉价作业，强大的可持续能源供应是核心痛点。人形机器人结构复杂、关节众多，其驱动源或者说动力源需无限趋向体积小、重量轻但容量大的方向，并具备高能源密度、耐高温、可循环、成本低等特征。2.2 人形机器人主要部件技术的有效应用离不开优质部件的整合。人形机器人发展至今，其本体从部件角度可总体划分为三块：执行器（伺服系统、减速器、驱动单元等）、控制器（工控系统、人工智能相关系统等）、传感器（本体感受传感器、机器视觉等）。就当下最先进的人形机器人而言，其主要部件包括以下几部分。1）电机：包括伺服电机、步进电机、力矩电机、球形电机等。其中力矩电机研制难度较大，但可在中低速运动中提供更高扭矩，适用于人形机器人低速+高力矩需求；2）减速器：谐波减速器备受市场关注，因其结构简单、传动比高、精密度高，但在耐久性等方面还有提升空间；3）传感器：力矩传感是人形机器人重点使用的关节零部件，并形成电机减速机传感器的关节总成设计；4）上肢传动方式：滚珠丝杠，通过将滚珠往复运动转化为丝杠直线运动，相较于皮带、链条等传动方式摩擦小、运维成本低；5）下肢传动方式：行星滚柱丝杠，耐外力冲击、寿命较长；综述Review8机器人技术与应用 2023 46）手部关节：空心杯电机，设计不复杂。此外，直线和旋转关节使用的轴承包括角接触轴承、交叉滚子轴承、深沟球轴承、四点接触球轴承等，重量轻、设计紧凑、精度高。2.3 人形机器人产业链概况人形机器人产业链上游包括原材料及核心部件，中游为系统集成及机器人本体制造。下游为各落地应用场景。同时，人形机器人产业链还可划分为软硬件两部分，软件部分一般由系统集成商或品牌方主导，包括前文提及的各类机器人算法及人工智能算法等。硬件部分又包括动力系统、智能感应系统、结构件及其它部件三块。其中动力系统由电池系统、伺服电机、减速器、滚柱丝杠、控制器等构成，智能感应系统包括芯片、传感器等，结构件不做赘述。整条产业链中，从长期看最具价值的部分在于软件部分，即能够自研或拥有人工智能算法等核心技术者，将掌控人形机器人的中枢与大脑，也就能够在技术层面掌控人形机器人的发展方向；从当下看，价值占比高、增量空间大、毛利可观的部分有谐波减速器、滚柱丝杠、伺服电机、传感器等。3 人形机器人的未来展望人形机器人经过多年发展，在美国、日本、中国为代表的各国业界和学界共同努力下，技术及产业链已日趋完善，已经对人类社会产生了巨大的影响7。但是，人形机器人距离产业化落地应用还很遥远。目前，在最前沿的人形机器人中，波士顿动力 Atlas 展示了在特定空间和复杂环境下的流畅运动能力，但这不意味其在任何环境中都能快速部署和执行特定任务；特斯拉凭借其人工智能技术和供应链在汽车端的全球化部署，多年来获取了大量数据、信息和运营经验，为 Optimus 的快速优化及产业化奠定了基础，但目前也只处于早期阶段。尽管如此，积极的历史进程和发展态势已十分清晰。随着近两年全球地缘政治态势日趋复杂、各国着重发展高新技术产业、几起几落的人工智能领域迎来又一轮高峰，机器人包括人形机器人很可能成为人工智能最佳硬件载体之一。概而论之，人工智能可以赋能机器人的认知思考和行动管控，降低拟真难度，从基于规则的编程模式过渡到基于图像的学习模式。英伟达创始人黄仁勋在 ITF World 2023 半导体大会上表示，人工智能下一个浪潮将是“具身智能”。以人形机器人为代表的智能体将能够理解、推理并与物理世界无缝互动，并实现强人机交互协作。值得注意的是，2023 年开始大热的 GPT 等语言大模型，已呈现出让人与机器人交互更加容易的迹象。目前，部分人形机器人已经可以与人就特定话题或任务目标进行直接快速的交互。其实，具身智能并非新概念，如著名人工智能专家布鲁克斯（Rodney Brooks）在 1986 年即颇具前瞻性地指出：智能是具身化和情境化的。只有具身的智能体才能完全成为能够应付真实世界的智能体，通过物理根基，内在符号系统或其他系统才能接地8。此外，人形机器人的发展和成功有其本源性，即类人意味着其符合人类交互习惯，也能快速适应现存的人类社会基础设施。在这一历史趋势中，人形机器人也将反过来促进人工智能技术在语音识别、人脸识别、自然语言处理、机器视觉等领域的发展，并助力于更精细的人机协作、机械结构和运动控制技术的出现。这将反哺其他形态的机器人、自动化以及一切能与这些技术产生交集的市场和产业。从具体应用场景来看，人形机器人未来可应用于危机处置、灾情救助、医疗服务、养老陪伴、工厂作业等，且不会像目前应用更广泛的轮式底盘机器人、四足/六足机器人那样受制于地形和复杂环境。4 结语人形机器人承载着人类探索自身的美好愿望，也反映着人类科学技术和社会发展的阶段性成就。未来，在科学、技术、经济、社会的交织融合下，可以期待人形机器人朝着构造更加精密、运动更加灵巧、智识更加机敏、交互更加自然的方向成长，为人类社会创造更多价值。参考文献1 吴伟国.面向作业与人工智能的仿人机器人研究进展 J.哈尔滨工业大学学报，2015(7):1-19.2 张茂川，蔚伟，刘丽丽.仿人机器人理论研究综述 J.机械 设计与制造，2010(4):166-168.3 度龄.机器人明星-AsimoJ.中国青年科技，2003(11):24.4 高海峰，赵卫军，吴少华.类人机器人技术研究现状 J.机床与液压，2017，45(21):164-172.5 赵蕊，贺建军.多传感器信息融合技术 J.计算机测量与控制，2007，15(9):100-112.6 王国彪，陈殿生，陈科位，等.仿生机器人研究现状与发展趋势 J.机械工程学报,2015(13):27-44.7 蔡自兴.机器人学基础 M.北京:机械工业出版社，2009.8 BROOKS R.Cambrian Intelligence:The Early History of the New AI M.Cambridge，MA:MIT Press，1999.