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人形机器人技术现状及场景应用思考

2023/12/7    来源:雷克智能    作者:朱秋国  熊蓉      
关键字:人形机器人  技术现状  应用场景  
本文首先介绍了国内外人形机器人的发展现状及各国人形机器人的技术现状,其次从人形机器人的本体能力、运动能力和智能能力三方面讨论了人形机器人在关键技术上面临的挑战,最后畅想了人形机器人未来的应用场景,并展望了人形机器人对推动人类社会与技术进步的作用。

    注:本文来源于微信公众号“雷克智能”,经授权转载。原文刊登于《机器人产业》2023年7月刊,作者为浙江大学控制科学与工程学学院副教授、博士生导师朱秋国,以及浙江大学控制科学与工程学学院教授、博士生导师熊蓉,未经授权禁止转载。

        人形机器人又称仿人机器人或类人机器人,指具有人的形态和功能的机器人,具有拟人的肢体、运动与作业技能,以及感知、学习和认知能力。人形机器人建立在多学科基础之上,综合运用机械、电气、材料、传感、控制和计算机来实现拟人化的功能,环境适应更通用、任务操作更多元、人机交互更亲和,是国际公认的机器人技术集大成者,是一个国家科技综合水平的重要体现。

国际上的人形机器人

    1969年,日本早稻田大学研制了世界上第一台人形机器人。由于人形机器人是机器人技术的集大成者和战略制高点,美、日、韩、德、意、法、俄等国家纷纷开展了人形机器人研究。目前,技术最为领先且最具代表性的,当属日本本田研制的ASIMO机器人和美国波士顿动力研制的Atlas 机器人。ASIMO和Atlas在技术路线上是电机驱动和液压驱动,位置控制和动态力控的典型代表。

    2013年,波士顿动力发布了初代Atlas机器人。Atlas由外置电驱动液压动力系统提供动力,高183cm,全身28个液压驱动关节,能够实现碎石路面下的稳定行走。2016年,波士顿动力公布了新一代Atlas机器人,配备了机载液压动力系统,能够实现雪地、山地行走,以及倒地后的快速起身,表现出了优异的运动灵活性,同时展现了双臂协同搬运重物的操作能力;2017年,完成了立定跳跃、跳高、跳转身和后空翻等动作;2019年,完成了一套高难度体操动作(慢起手倒立、前滚翻、前空翻、原地180°空中转体、分腿跳、360°空中转体);此后,又陆续发布了酷跑、三连跳、全身协调操作任务等新功能。目前,波士顿动力Atlas被公认为运动性能最强的人形机器人。

    2022年10月1日,特斯拉发布人形机器人Optimus原型机。Optimus身高约173cm,重约56kg,在汽车工厂可以进行搬运、浇水植物、移动金属棒。该机器人运用特斯拉最先进的人工智能技术和算力极强的DOJO D1超级计算芯片,共用特斯拉“完全自动驾驶”系统,延续纯视觉感知解决方案,具有低成本、强智能、多场景运用、产业化发展等优势,未来将在家庭和工业等场景开展应用。

    日本本田在电机驱动、精密传动、实时控制、步态规划、平衡控制等方面取得了系列突破,于2000年基于仿人机器人P2推出ASIMO机器人。ASIMO身高130cm,体重48kg(2014年版本),具备智能交互和灵活行走等功能,手部可完成端茶、拧瓶、倒水等基本动作;腿部具备行走、跑步、单/双脚跳,以及上下楼梯等能力,最高运动速度9km/h,但对未知不平整地面和未知扰动适应性差。2018年,本田宣布停止继续开发ASIMO,但仍在组织开发新一代人形机器人。

    除上述机器人外,2013年美国国家宇航局开发了人形机器人Valkyrie,身高190cm,重量125kg,全身44个自由度。美国Agility机器人公司先后推出了仿鸵鸟双足机器人Cassie、仿人机器人Digit和Digit V2。其中,Digit V2改进了前臂,可以抱起18kg的箱子;升级了感知系统,增加了摄像头和激光雷达,可以实现障碍物检测和物体拾取、放置。2018年,意大利技术研究院发布了仿人消防机器人WALK-MAN,重量102kg,头部配有3D雷达、麦克风、相机等传感器,可以走进大楼、找到起火点并取出灭火器,并将现场状况回传给操作员。德国慕尼黑工业大学开发了仿人机器人LOLA,身高180cm,重量55kg,全身25个自由度,最快步行速度5km/h,通过头部传感器可实现避障等功能。法国PAL Robotics公司先后推出了REEM-C和TALOS两款商用仿人机器人。其中,REEM-C身高160cm,重量80kg,全身44个自由度,行走速度2.5km/h,具备操作、导航与人机交互功能;TALOS为面向工业应用设计的仿人机器人,身高175cm,重量90kg,行走速度3km/h,可适应不平整路面和台阶,能完成钻孔和拧螺丝等任务。2001年起,韩国先进技术研究院KAIST开发了一系列仿人机器人,包括KHR-0/1/2/3、HUBO、HUBO2 Plus和DRC-HUBO等。其中,DRC-HUBO机器人身高170ccm,重量80kg,全身32个自由度,采用轮腿混合行走机构,能够根据不同环境选择不同的移动方式,可以适应碎石块和斜坡等路面。

    综上所述,国际上人形机器人队伍中,第一梯队是以美国为首的波士顿动力和特斯拉,在运动能力和智能作业上均具有较强的技术储备和展示能力;第二梯队是日韩和欧洲机器人,虽然不适用于野外复杂路面,但手眼协调操作性强,可直接使用人造工具,具有较强的智能作业和精细作业能力;第三梯队是以室内平整路面为主的机器人,无法适应户外不平整路面,离真实应用仍有差距。

国内的人形机器人

    20世纪90年代,我国开始了人形机器人研究。在国家“863”计划、国家自然科学基金,以及其他部门及地方的资助下,国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学、中国科学院自动化所等多家单位取得了丰硕的研究成果,培养了大量科研团队与技术人员。

    国防科技大学早在1987年就开始了步行机器人系统与技术领域的研究工作,是国内首个开展双足步行机器人研究的高校。1990年,其公布的双足步行机器人样机能实现0.36km/h的静态行走。1999年,发布了中国第一台能够实现静态和动态行走的类人型双足机器人“先行者”。2003年,公布了Blackman步行机器人,最大动态行走速度可达1.08km/h。2010年,在国家“863”计划支持下,研制了步行机器人Blackman-Ⅱ,实现了仿人双足机器人自主打乒乓球。2011年,成功开发了步行机器人Blackman-Ⅲ。2021年,研究了液压驱动双足机器人的轨迹规划和运动控制技术,机器人最大前进速度达到2.5m/s。

    哈尔滨工业大学机器人研究所是国家级机器人实验室,具有多名院士和众多杰出领军科研人才,实力雄厚。其人形机器人系统HIT WLR样机系统已经完成多次迭代,采用轮腿复合方式,以液压驱动为主,重80kg,高1.7m,具有轮式快速移动特点,最高速度超过15km/h,腿式跳跃过障0.5m,并具备通过斜坡、起伏地形和搬运能力,具有自主定位、建模和导航功能。此外,还研制了类Atlas的液压驱动双足机器人HIT Humanoid,重量60kg,身高1.6m,拥有21个自由度,目前该机器人已完成样机的研制。

    北京理工大学自2001年开始机器人研究,成功研制了7代人形机器人。2002年,研制出了国内第一个无缆行走机器人,能进行太极拳、刀术表演;2010年,机器人实现了乒乓球对打;2016年起,机器人实现了摔、滚、走、爬、跳、攀等多模态运动能力,实现了具有国际首创的摔倒保护、翻滚、行走、爬行等多模态运动及转换。目前,已实现6km/h的跑步速度,跳高0.5m,前跳1m,实现了前滚翻、站立摔倒,并重新站起等功能,在机器人运动、作业、视觉识别、智能决策等关键技术方面,均取得重要进展,正朝着更高的技术指标和实际应用方向迈进。

    浙江大学自2006年起开始研制人形机器人,突破了自适应精确建模、动态平衡控制、全身协调控制、智能感知决策等核心技术,先后完成四代“悟空”系列人形机器人系统研制。一代“悟空”人形机器人突破了手足眼融合技术,实现了人-机、机-机对打乒乓球,在国际上形成了较大影响。四代“悟空”人形机器人最快运动速度超过6km/h,跳高0.5m,可上下25度斜坡和10cm台阶,可适应室外路面、草丛、泥地等多种地形。在钢管路面和外部推力干扰等未知扰动下,可快速恢复平衡并保持稳定行走。通过融合腿足运动技术与环境感知技术,实现了机器人的三维环境地图构建和自主动态导航。目前,浙江大学研制的人形机器人正朝着实用化应用方向不断迭代和改进。

    此外,优必选科技有限公司、小米公司等也推出了人形机器人产品,消费级和商用级人形机器人正逐渐走向商用化。

    综上,国内仿人机器人研究的主要力量来自高校、研究机构和高科技公司,培育了多个研究团队和技术人才,在基础器件、新材料与新结构、控制理论、识别算法、智能理论等方面已经取得重要进展,研制了多种人形机器人样机,总体技术水平已基本达到了国际先进。通过扶持加大投入力度,合理布局与重点投入,我国人形机器人有望率先应用于真实场景,占据市场先机。

关键技术和趋势

    虽然人形机器人技术已经取得显著进展,但在机器人的本体能力、运动能力和智能能力方面仍面临着重要的技术挑战。这些挑战需要被克服,以进一步提升人形机器人的性能和功能。

    机器人本体能力

    人形机器人本体是人形机器人实现高速、高灵巧、高爆发运动的基础,主要技术包括高爆发大力矩驱动、低损耗高精度传动、高集成灵巧结构设计、高能量密度电池技术等。国外具有代表性的研究机构为美国波士顿动力和特斯拉,前者采用高爆发液压伺服技术,更注重“力量”;后者采用高扭矩密度电机伺服技术,更注重“智能”。国内与国外主要技术差距为高爆发大力矩驱动技术,液压人形机器人采用全无油管化设计、关节走油设计、增材制造技术,已经实现动力自主,在功率密度与输出流量、压力指标方面与国外先进水平差距正逐渐缩小;电驱动人形机器人在电机伺服技术上与美国差异相对较小,在电驱机器人快速迭代方面跟国际上差异不大,且在价格成本上更有优势,运动体能上可以满足日常应用的需求。

    机器人运动能力

    人形机器人运动能力是人形机器人实现高动态运动和作业的关键,主要包括动态变构型精确建模、高自由度复杂运动规划、未知扰动平衡控制等技术。美国在人形机器人的运动控制技术上走在世界前列,其高校和研究机构开展了大量研究,具有大量技术储备,为人形机器人的产业化提供了技术支撑和人才储备。波士顿动力的人形机器人运动能力不断进化,距离真实应用的距离将逐渐缩短;特斯拉公司公布了人形机器人结构设计、关节驱动和运动控制的概况,通过人工智能算法驱动人形机器人产品的技术发展。目前,国内仿人机器人仍处在运动控制技术突破阶段,已取得较大进展,在运动控制上跟国际领先团队的差距总体在逐渐缩小。

    机器人智能能力

    从智能作业来看,利用视觉等传感器实现环境感知并决策运动,是人形机器人进一步应用面临的重要问题。与一般机器人相比,人形机器人的高自由度和高不稳定性,为其感知、决策、规划,以及计算设备带来了新的挑战。与ASIMO基于视觉感知拧杯、端茶等智能作业相比,2011年浙江大学的乒乓球对打仿人机器人展现出对快速运动物体实时准确感知预测决策的能力,以及手臂快速运动下的平衡控制能力,受到国际广泛关注。埃隆·马斯克所发布的Optimus人形机器人信息也强调的是芯片算力和智能算法,只提及了机器人的基本身高与步行速度等基础信息,却用了大篇幅内容介绍了智能芯片和智能操作。可以预测,马斯克的用意是设计出“类人的大脑”,结合“类人的形态”,执行“类人的作业”。因此,融合眼-手-足,结合智能芯片、智能算法,构建形成类人“超级大脑”,形成机器人元宇宙,有可能成为未来技术的发展趋势。

典型应用场景

    人形机器人具有强大的环境适应能力、拟人化工作能力和亲近感,可以广泛应用于工业生产、社会服务、救援救灾等领域。人形机器人的出现意味着可以取代人类从事危险、重复和乏味的工作,成为一种多任务通用型机器人。人形机器人技术的突破将带来大规模应用,有望解决未来社会劳动力短缺的难题,并对经济和社会发展带来颠覆性的影响。

    在工业生产和社会服务领域,人形机器人成为重要的劳动力。随着二十一世纪人口老龄化程度加深,发展人形机器人可以弥补劳动力严重不足的问题。一旦人形机器人得到广泛应用,劳动力短缺问题将有可能彻底解决。人形机器人可以在工业生产现场进行移动式作业,并适应以人为中心建造的办公和家居环境,给人们带来更亲近的感觉。在办公辅助、商业服务、家务作业、居家照料老人等领域,人形机器人将发挥重要的作用。

    此外,在救援救灾和国家重大工程等领域,人形机器人也将扮演不可替代的角色。人形机器人适合用于危险任务的无人化替代。在实际的灾害场景中,救援任务常常具有急迫性且各不相同,传统的特种装备往往难以胜任,需要消防员亲自执行。而人形机器人则能直接利用消防员使用的多种装备来执行救援任务。此外,在空间站等国家重大工程中应用人形机器人,可以替代人类宇航员长期驻守空间站或进行太空探索任务。

结束语

    人形机器人技术的发展和广泛应用,展现了机器人和人工智能领域的巨大潜力。通过模拟人类的外观和行为,人形机器人已经在教育、娱乐、服务等多个领域取得了重要进展。然而,人形机器人技术仍面临重要挑战。此外,持续的研究和讨论对于推动人形机器人技术的发展至关重要。只有通过共同努力,我们才能更好地利用人形机器人的潜力,为人类社会带来更多的便利和福祉。人形机器人将成为我们未来生活的重要伙伴,引领人类与技术的共同发展,通过充分发挥人形机器人的潜力,构建一个更加智能和人性化的未来,推动社会的进步与发展。

    本文刊登于《机器人产业》2023年7月刊

责任编辑:杨培
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