人形機器人又稱仿人機器人或類人機器人,，指具有人的形態(tài)和功能的機器人，具有擬人的肢體,、運動與作業(yè)技能,，以及感知、學(xué)習(xí)和認(rèn)知能力,。人形機器人建立在多學(xué)科基礎(chǔ)之上,，綜合運用機械、電氣,、材料,、傳感、控制和計算機來實現(xiàn)擬人化的功能,，環(huán)境適應(yīng)更通用,、任務(wù)操作更多元、人機交互更親和,，是國際公認(rèn)的機器人技術(shù)集大成者,，是一個國家科技綜合水平的重要體現(xiàn)。

國際上的人形機器人

1969年,，日本早稻田大學(xué)研制了世界上第一臺人形機器人,。由于人形機器人是機器人技術(shù)的集大成者和戰(zhàn)略制高點，美,、日,、韓、德,、意,、法、俄等國家紛紛開展了人形機器人研究,。目前,，技術(shù)最為領(lǐng)先且最具代表性的,，當(dāng)屬日本本田研制的ASIMO機器人和美國波士頓動力研制的Atlas 機器人。ASIMO和Atlas在技術(shù)路線上是電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動,，位置控制和動態(tài)力控的典型代表,。

2013年，波士頓動力發(fā)布了初代Atlas機器人,。Atlas由外置電驅(qū)動液壓動力系統(tǒng)提供動力,，高183cm，全身28個液壓驅(qū)動關(guān)節(jié),，能夠?qū)崿F(xiàn)碎石路面下的穩(wěn)定行走。2016年,，波士頓動力公布了新一代Atlas機器人,，配備了機載液壓動力系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)雪地,、山地行走,，以及倒地后的快速起身，表現(xiàn)出了優(yōu)異的運動靈活性,，同時展現(xiàn)了雙臂協(xié)同搬運重物的操作能力,；2017年，完成了立定跳躍,、跳高,、跳轉(zhuǎn)身和后空翻等動作；2019年,，完成了一套高難度體操動作（慢起手倒立,、前滾翻、前空翻,、原地180°空中轉(zhuǎn)體,、分腿跳、360°空中轉(zhuǎn)體）,；此后,，又陸續(xù)發(fā)布了酷跑、三連跳,、全身協(xié)調(diào)操作任務(wù)等新功能,。目前，波士頓動力Atlas被公認(rèn)為運動性能最強的人形機器人,。

2022年10月1日,，特斯拉發(fā)布人形機器人Optimus原型機。Optimus身高約173cm,，重約56kg,，在汽車工廠可以進行搬運,、澆水植物、移動金屬棒,。該機器人運用特斯拉最先進的人工智能技術(shù)和算力極強的DOJO D1超級計算芯片,，共用特斯拉“完全自動駕駛”系統(tǒng)，延續(xù)純視覺感知解決方案,，具有低成本,、強智能、多場景運用,、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等優(yōu)勢,，未來將在家庭和工業(yè)等場景開展應(yīng)用。

日本本田在電機驅(qū)動,、精密傳動,、實時控制、步態(tài)規(guī)劃,、平衡控制等方面取得了系列突破,，于2000年基于仿人機器人P2推出ASIMO機器人。ASIMO身高130cm,，體重48kg（2014年版本）,，具備智能交互和靈活行走等功能，手部可完成端茶,、擰瓶,、倒水等基本動作；腿部具備行走,、跑步,、單/雙腳跳，以及上下樓梯等能力,，最高運動速度9km/h,，但對未知不平整地面和未知擾動適應(yīng)性差。2018年,，本田宣布停止繼續(xù)開發(fā)ASIMO,，但仍在組織開發(fā)新一代人形機器人。

除上述機器人外,，2013年美國國家宇航局開發(fā)了人形機器人Valkyrie,，身高190cm，重量125kg,，全身44個自由度,。美國Agility機器人公司先后推出了仿鴕鳥雙足機器人Cassie、仿人機器人Digit和Digit V2。其中,，Digit V2改進了前臂,，可以抱起18kg的箱子；升級了感知系統(tǒng),，增加了攝像頭和激光雷達,，可以實現(xiàn)障礙物檢測和物體拾取、放置,。2018年,，意大利技術(shù)研究院發(fā)布了仿人消防機器人WALK-MAN，重量102kg,，頭部配有3D雷達,、麥克風(fēng)、相機等傳感器,，可以走進大樓,、找到起火點并取出滅火器，并將現(xiàn)場狀況回傳給操作員,。德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)開發(fā)了仿人機器人LOLA，身高180cm,，重量55kg,，全身25個自由度，最快步行速度5km/h,，通過頭部傳感器可實現(xiàn)避障等功能,。法國PAL Robotics公司先后推出了REEM-C和TALOS兩款商用仿人機器人。其中,，REEM-C身高160cm,，重量80kg，全身44個自由度,，行走速度2.5km/h,，具備操作、導(dǎo)航與人機交互功能,；TALOS為面向工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的仿人機器人,，身高175cm，重量90kg,行走速度3km/h,，可適應(yīng)不平整路面和臺階,，能完成鉆孔和擰螺絲等任務(wù)。2001年起,，韓國先進技術(shù)研究院KAIST開發(fā)了一系列仿人機器人,，包括KHR-0/1/2/3、HUBO、HUBO2 Plus和DRC-HUBO等,。其中,，DRC-HUBO機器人身高170ccm，重量80kg,，全身32個自由度,，采用輪腿混合行走機構(gòu)，能夠根據(jù)不同環(huán)境選擇不同的移動方式,，可以適應(yīng)碎石塊和斜坡等路面,。

綜上所述，國際上人形機器人隊伍中,，第一梯隊是以美國為首的波士頓動力和特斯拉,，在運動能力和智能作業(yè)上均具有較強的技術(shù)儲備和展示能力；第二梯隊是日韓和歐洲機器人,，雖然不適用于野外復(fù)雜路面,，但手眼協(xié)調(diào)操作性強，可直接使用人造工具,，具有較強的智能作業(yè)和精細(xì)作業(yè)能力,；第三梯隊是以室內(nèi)平整路面為主的機器人，無法適應(yīng)戶外不平整路面,，離真實應(yīng)用仍有差距,。

國內(nèi)的人形機器人

20世紀(jì)90年代，我國開始了人形機器人研究,。在國家“863”計劃,、國家自然科學(xué)基金，以及其他部門及地方的資助下,，國防科技大學(xué),、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué),、北京理工大學(xué),、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院自動化所等多家單位取得了豐碩的研究成果,，培養(yǎng)了大量科研團隊與技術(shù)人員,。

國防科技大學(xué)早在1987年就開始了步行機器人系統(tǒng)與技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，是國內(nèi)首個開展雙足步行機器人研究的高校,。1990年,，其公布的雙足步行機器人樣機能實現(xiàn)0.36km/h的靜態(tài)行走。1999年,，發(fā)布了中國第一臺能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)行走的類人型雙足機器人“先行者”,。2003年,，公布了Blackman步行機器人，最大動態(tài)行走速度可達1.08km/h,。2010年,，在國家“863”計劃支持下，研制了步行機器人Blackman-Ⅱ,，實現(xiàn)了仿人雙足機器人自主打乒乓球,。2011年，成功開發(fā)了步行機器人Blackman-Ⅲ,。2021年,，研究了液壓驅(qū)動雙足機器人的軌跡規(guī)劃和運動控制技術(shù)，機器人最大前進速度達到2.5m/s,。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所是國家級機器人實驗室,，具有多名院士和眾多杰出領(lǐng)軍科研人才，實力雄厚,。其人形機器人系統(tǒng)HIT WLR樣機系統(tǒng)已經(jīng)完成多次迭代,，采用輪腿復(fù)合方式，以液壓驅(qū)動為主,，重80kg,，高1.7m，具有輪式快速移動特點,，最高速度超過15km/h,腿式跳躍過障0.5m,，并具備通過斜坡、起伏地形和搬運能力,，具有自主定位、建模和導(dǎo)航功能,。此外,，還研制了類Atlas的液壓驅(qū)動雙足機器人HIT Humanoid，重量60kg,，身高1.6m,，擁有21個自由度，目前該機器人已完成樣機的研制,。

北京理工大學(xué)自2001年開始機器人研究,，成功研制了7代人形機器人。2002年,，研制出了國內(nèi)第一個無纜行走機器人,，能進行太極拳、刀術(shù)表演,；2010年,，機器人實現(xiàn)了乒乓球?qū)Υ颍?016年起，機器人實現(xiàn)了摔、滾,、走,、爬、跳,、攀等多模態(tài)運動能力,，實現(xiàn)了具有國際首創(chuàng)的摔倒保護、翻滾,、行走,、爬行等多模態(tài)運動及轉(zhuǎn)換。目前,，已實現(xiàn)6km/h的跑步速度,，跳高0.5m，前跳1m,，實現(xiàn)了前滾翻,、站立摔倒，并重新站起等功能,，在機器人運動,、作業(yè)、視覺識別,、智能決策等關(guān)鍵技術(shù)方面,，均取得重要進展，正朝著更高的技術(shù)指標(biāo)和實際應(yīng)用方向邁進,。

浙江大學(xué)自2006年起開始研制人形機器人,，突破了自適應(yīng)精確建模、動態(tài)平衡控制,、全身協(xié)調(diào)控制,、智能感知決策等核心技術(shù)，先后完成四代“悟空”系列人形機器人系統(tǒng)研制,。一代“悟空”人形機器人突破了手足眼融合技術(shù),，實現(xiàn)了人-機、機-機對打乒乓球,，在國際上形成了較大影響,。四代“悟空”人形機器人最快運動速度超過6km/h，跳高0.5m,，可上下25度斜坡和10cm臺階,，可適應(yīng)室外路面、草叢,、泥地等多種地形,。在鋼管路面和外部推力干擾等未知擾動下,，可快速恢復(fù)平衡并保持穩(wěn)定行走。通過融合腿足運動技術(shù)與環(huán)境感知技術(shù),，實現(xiàn)了機器人的三維環(huán)境地圖構(gòu)建和自主動態(tài)導(dǎo)航,。目前，浙江大學(xué)研制的人形機器人正朝著實用化應(yīng)用方向不斷迭代和改進,。

此外,，優(yōu)必選科技有限公司、小米公司等也推出了人形機器人產(chǎn)品,，消費級和商用級人形機器人正逐漸走向商用化,。

綜上，國內(nèi)仿人機器人研究的主要力量來自高校,、研究機構(gòu)和高科技公司,，培育了多個研究團隊和技術(shù)人才，在基礎(chǔ)器件,、新材料與新結(jié)構(gòu),、控制理論、識別算法,、智能理論等方面已經(jīng)取得重要進展,，研制了多種人形機器人樣機，總體技術(shù)水平已基本達到了國際先進,。通過扶持加大投入力度,，合理布局與重點投入，我國人形機器人有望率先應(yīng)用于真實場景,，占據(jù)市場先機,。

關(guān)鍵技術(shù)和趨勢

雖然人形機器人技術(shù)已經(jīng)取得顯著進展，但在機器人的本體能力,、運動能力和智能能力方面仍面臨著重要的技術(shù)挑戰(zhàn),。這些挑戰(zhàn)需要被克服，以進一步提升人形機器人的性能和功能,。

機器人本體能力

人形機器人本體是人形機器人實現(xiàn)高速、高靈巧,、高爆發(fā)運動的基礎(chǔ),，主要技術(shù)包括高爆發(fā)大力矩驅(qū)動、低損耗高精度傳動,、高集成靈巧結(jié)構(gòu)設(shè)計,、高能量密度電池技術(shù)等。國外具有代表性的研究機構(gòu)為美國波士頓動力和特斯拉,，前者采用高爆發(fā)液壓伺服技術(shù),，更注重“力量”,；后者采用高扭矩密度電機伺服技術(shù)，更注重“智能”,。國內(nèi)與國外主要技術(shù)差距為高爆發(fā)大力矩驅(qū)動技術(shù),，液壓人形機器人采用全無油管化設(shè)計、關(guān)節(jié)走油設(shè)計,、增材制造技術(shù),，已經(jīng)實現(xiàn)動力自主，在功率密度與輸出流量,、壓力指標(biāo)方面與國外先進水平差距正逐漸縮?。浑婒?qū)動人形機器人在電機伺服技術(shù)上與美國差異相對較小,，在電驅(qū)機器人快速迭代方面跟國際上差異不大,，且在價格成本上更有優(yōu)勢，運動體能上可以滿足日常應(yīng)用的需求,。

機器人運動能力

人形機器人運動能力是人形機器人實現(xiàn)高動態(tài)運動和作業(yè)的關(guān)鍵,，主要包括動態(tài)變構(gòu)型精確建模、高自由度復(fù)雜運動規(guī)劃,、未知擾動平衡控制等技術(shù),。美國在人形機器人的運動控制技術(shù)上走在世界前列，其高校和研究機構(gòu)開展了大量研究,，具有大量技術(shù)儲備,，為人形機器人的產(chǎn)業(yè)化提供了技術(shù)支撐和人才儲備。波士頓動力的人形機器人運動能力不斷進化,，距離真實應(yīng)用的距離將逐漸縮短,；特斯拉公司公布了人形機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)節(jié)驅(qū)動和運動控制的概況,，通過人工智能算法驅(qū)動人形機器人產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展,。目前，國內(nèi)仿人機器人仍處在運動控制技術(shù)突破階段,，已取得較大進展,，在運動控制上跟國際領(lǐng)先團隊的差距總體在逐漸縮小。

機器人智能能力

從智能作業(yè)來看,，利用視覺等傳感器實現(xiàn)環(huán)境感知并決策運動,，是人形機器人進一步應(yīng)用面臨的重要問題。與一般機器人相比,，人形機器人的高自由度和高不穩(wěn)定性,，為其感知、決策,、規(guī)劃,，以及計算設(shè)備帶來了新的挑戰(zhàn),。與ASIMO基于視覺感知擰杯、端茶等智能作業(yè)相比,，2011年浙江大學(xué)的乒乓球?qū)Υ蚍氯藱C器人展現(xiàn)出對快速運動物體實時準(zhǔn)確感知預(yù)測決策的能力,，以及手臂快速運動下的平衡控制能力，受到國際廣泛關(guān)注,。埃隆·馬斯克所發(fā)布的Optimus人形機器人信息也強調(diào)的是芯片算力和智能算法,，只提及了機器人的基本身高與步行速度等基礎(chǔ)信息，卻用了大篇幅內(nèi)容介紹了智能芯片和智能操作,?？梢灶A(yù)測，馬斯克的用意是設(shè)計出“類人的大腦”,，結(jié)合“類人的形態(tài)”,，執(zhí)行“類人的作業(yè)”。因此,，融合眼-手-足,，結(jié)合智能芯片、智能算法,，構(gòu)建形成類人“超級大腦”,，形成機器人元宇宙，有可能成為未來技術(shù)的發(fā)展趨勢,。

典型應(yīng)用場景

人形機器人具有強大的環(huán)境適應(yīng)能力,、擬人化工作能力和親近感，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),、社會服務(wù),、救援救災(zāi)等領(lǐng)域。人形機器人的出現(xiàn)意味著可以取代人類從事危險,、重復(fù)和乏味的工作,，成為一種多任務(wù)通用型機器人。人形機器人技術(shù)的突破將帶來大規(guī)模應(yīng)用,，有望解決未來社會勞動力短缺的難題,，并對經(jīng)濟和社會發(fā)展帶來顛覆性的影響。

在工業(yè)生產(chǎn)和社會服務(wù)領(lǐng)域,，人形機器人成為重要的勞動力,。隨著二十一世紀(jì)人口老齡化程度加深，發(fā)展人形機器人可以彌補勞動力嚴(yán)重不足的問題,。一旦人形機器人得到廣泛應(yīng)用,，勞動力短缺問題將有可能徹底解決,。人形機器人可以在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場進行移動式作業(yè),，并適應(yīng)以人為中心建造的辦公和家居環(huán)境,，給人們帶來更親近的感覺。在辦公輔助,、商業(yè)服務(wù),、家務(wù)作業(yè)、居家照料老人等領(lǐng)域,，人形機器人將發(fā)揮重要的作用,。

此外，在救援救災(zāi)和國家重大工程等領(lǐng)域,，人形機器人也將扮演不可替代的角色,。人形機器人適合用于危險任務(wù)的無人化替代。在實際的災(zāi)害場景中,，救援任務(wù)常常具有急迫性且各不相同,，傳統(tǒng)的特種裝備往往難以勝任，需要消防員親自執(zhí)行,。而人形機器人則能直接利用消防員使用的多種裝備來執(zhí)行救援任務(wù),。此外，在空間站等國家重大工程中應(yīng)用人形機器人,，可以替代人類宇航員長期駐守空間站或進行太空探索任務(wù),。

結(jié)束語

人形機器人技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，展現(xiàn)了機器人和人工智能領(lǐng)域的巨大潛力,。通過模擬人類的外觀和行為,，人形機器人已經(jīng)在教育、娛樂,、服務(wù)等多個領(lǐng)域取得了重要進展,。然而，人形機器人技術(shù)仍面臨重要挑戰(zhàn),。此外,，持續(xù)的研究和討論對于推動人形機器人技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。只有通過共同努力,，我們才能更好地利用人形機器人的潛力,，為人類社會帶來更多的便利和福祉。人形機器人將成為我們未來生活的重要伙伴,，引領(lǐng)人類與技術(shù)的共同發(fā)展,，通過充分發(fā)揮人形機器人的潛力，構(gòu)建一個更加智能和人性化的未來,，推動社會的進步與發(fā)展,。