人形机器人面临技术突破的“奇点”

从“阿特拉斯”的惊艳后空翻到“菲多尔”人形机器人会使用各种工具，标志着机器人技术已从行走、单腿站立、跳跃、上下楼梯、躲避障碍物等低层次机械重复动作，向后空翻、开枪射击、自主导航等“高大上”精细运动技能方向发展。尤其是美国“索菲娅”人形机器人首次被沙特授予公民身份，加速了人形机器人的“合法化”进程。

人形机器人技术的突飞猛进，得益于人工智能技术的快速发展，取决于巧妙绝伦的仿生结构设计和日新月异的驱动控制技术。

结构设计科学合理

所谓人形机器人，是指模仿人类双腿步行的仿生机器人，它具有一定智能水平，是仿生机器人中更灵巧、更智能的复杂机器人系统。合理的仿生设计是人形机器人发挥功能作用的基础。

其结构设计是基于仿生学原理，在提取人类结构精髓的基础上进行简化，开发出由各种关节组成的高度灵活性的类人机器人，通常由驱动机构、连杆机构、传动机构、减速机构、传感器和控制器等组成，模仿人的运动生理结构。

“阿特拉斯”人形机器人是由模拟人体结构和外形大小的两条胳膊、两条腿、躯干和头部等组成，其身高1.88米，重150千克。韩国“HUBO”机器人结构设计独特，在双膝上装有主动驱动轮，脚上配有被动轮，使其能在平地上快速而稳定地运动。美国卡内基·梅陇大学的“CHIMP”机器人采用可变形结构，使其既能像人类一样双腿直立，亦可将两个下肢变形成两个履带，或将四肢均变形为履带结构，还可根据任务不同灵活变换结构，如采用双履带结构移至车门，用双臂开门，随后变形为双腿直立结构下车。

驱动技术日新月异

驱动技术是人形机器人的动力来源。人形机器人一般采用液压、电机、形状记忆合金和气动人工肌肉等驱动技术，凭借良好的抗干扰性能，人形机器人一诞生就备受关注。

最初的“阿特拉斯”人形机器人是基于波士顿动力公司早期的“佩特曼”人形机器人研发改进而来，全身采用28个液压驱动关节，动力来自于功率为15千瓦的480伏三相电源，配备嵌入式液压泵，使用身体和腿部的传感器维持平衡，能够实现对闭环位置和力量的控制，具有出色的行走、单腿站立、跳跃、上下楼梯、躲避障碍等能力。改进型“阿特拉斯”去除了电源插头，更新了除小腿和脚之外约75%的系统，配备新型液压泵，调整了其臀部、膝盖和背部的驱动器，能在摔倒后自行起立，并具备无线通信能力。

动力装置采用可持续供电1小时的3.7千瓦锂离子电池，这是机器人最终能走出实验室的关键。日本“HRP-2”人形机器人采用电机驱动技术，配装紧凑型液冷电机和高输出驱动模块，能够实现在高转速和高转矩状态下不产生过热问题。

控制技术日臻成熟

运动控制和功能控制是人形机器人控制的主要内容。其中，运动控制涉及步态规划、步态控制以及高难度精细动作控制。如何设计步行机器人的腿间作用机制，实现复杂地形条件下的身体平衡自适应调整，生成稳健自如的自由步态，是必须解决的关键问题之一。

在“机动性与操纵能力最大化”项目下，美国国防部高级研究计划局已与多家研究机构签订合同，开展机器人控制技术研究，涉及基于环境的动态步态选择、身体重心调节以及动态稳定控制等多个方面。美国HRL实验室还将开展腿形运动、生物运动调节、深化对生物运动的认知研究，使人形机器人无论是在一马平川的平坦地面，还是在崎岖不平的山区，都能获得高速、灵巧的运动能力。

美国“阿特拉斯”和俄罗斯“菲多尔”机器人运动控制的重点主要集中在高难度精细动作的突破上。“阿特拉斯”人形机器人配备嵌入式实时控制计算机、激光雷达、立体传感器、专用传感器和感知算法软件等，可实时感知并计算控制力，不但能使身体在运动控制中保持平衡，还具备强大的目标探索识别能力，能够在室内和室外进行自主导航。

俄罗斯“菲多尔”人形机器人具有灵活的手指，可以使用各种工具，并具备一定的自主学习能力，能在规定场景中拿起仪器并操作，尤其是具备精准的射击能力，使其在军事作战方面表现出巨大的潜力。该机器人将成为俄罗斯“联邦”号新型宇宙飞船2021年首飞时的唯一“乘客”，并将参与2031年俄罗斯的探月计划。

随着人工智能技术研究的持续深入，各种高智能、多功能、反应快的人形机器人将不断“横空出世”。目前，一些军事强国正在积极研发具有一定思维、分析和判断能力，能够辨别敌我的“机器人士兵”，它们不仅能从事繁重的勤务支援保障工作，还可以直接遂行作战任务。届时，组建人形机器人部队走上一线战场，将不再是科幻大片的场景。

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