北京理工華匯雙足人形機器人產品躋身全球第一梯隊
http://www.sharifulalam.com 2023-08-17 09:33 來源：機器人大講堂
“減速器、伺服電機、控制器”被稱為人形機器人（學術界常稱為“仿人機器人”，英文名“humanoid robot”）硬件部分的三大核心單元，占機器人整身成本約一半以上，尤其作為人形機器人動力源的伺服電機模塊，中國與國際一線水平差距甚遠。
根據 MIR 數據統計，我國伺服電機競爭格局中外資品牌占據65%，國產品牌僅有35%，從產品形態上來看，高端伺服電機幾乎全部被國際品牌壟斷。以“三菱、安川、發那科、西門子”為第一梯隊的伺服電機企業形成了對中國企業的技術封鎖，嚴重限制我國雙足人形機器人產業的發展。
從全球市場來看，雙足人形機器人賽道代表以波士頓動力Atlas、本田ASIMO、敏捷機器人Cassie以及即將上市的特斯拉Optimus為主，而國內一些科技廠商也在最近幾年開始跟進。但無一例外，這些已發布的人形機器人產品，離我們心中期望的理想狀態還有很長一段距離。
▍人形機器人逐夢早在20世紀70年代開始
可行走的雙足人形機器人起源于日本，由1972年日本早稻田大學的加藤一郎教授研發，首款產品代號為 WABOT-1機器人原型機，擁有擬人化外形，搭載機械手腳、擁有視覺聽覺與肢體控制系統，盡管行走一步需要45秒，但這項技術在當時已經足以撼動科學界。這也是人形機器人的早期雛形。
20世紀80年代，隨著工業化發展，日本經濟在戰后迅速崛起，成為世界上最為強大的經濟體之一，以本田為代表的公司相繼推出不同系列的人形機器人產品，經過20年的發展，本田公司掌握了人形機器人的核心技術，1996年推出P2人形機器人，首次實現了無外接電纜的多傳感器融合的人形機器人，2005年推出新一代ASIMO機器人，能夠實現跑步、單腳跳躍、上下樓梯以及踢足球等復雜動作，是當時公認最領先的人形機器人。
美國科技公司波士頓動力于1992年成立，早期是麻省理工學院電氣工程和計算機科學系的研究小組，開發機器人和機器人軟件。2009年Atlas的前身Petman亮相，當時只有兩條腿。2013年，初具人類外形的Atlas已經能在碎石堆上行走。雖然在之后的幾年，波士頓動力三次易主，但并未影響到Atlas的快速成長。目前為止，Atlas能夠做到連續跳躍、翻滾、倒立等姿勢，并熟練掌握體操技巧，是目前公認運動能力最強的人形機器人。
中國的雙足機器人研究起步上世紀80年代末，主要集中在高校與研究機構為主。近期國內人形機器人科研團隊呈現百家爭鳴態勢，雖各有專長，但綜合實力來看北京理工大學最強，特別是在人形機器人走、跑、跳等多模態高動態運動能力以及核心零部件等方面躋身世界前列。
▍在技術壁壘面前 資本是無力的 人形機器人拼的是綜合實力
想要讓人形機器人自主運動起來，既需要極強的運動控制能力，也需要強大的感知和智慧能力。前者需要包括精密減速器、伺服電機、控制器等核心零部件的支持，而后者則需要更加高性能導航傳感器和強大的計算能力。
具體來說，以往高端電機和液壓動力裝置想要好用，就必須要購買進口產品，但由于外資品牌對中國企業形成技術壁壘，很多時候即便我們肯花錢，對方也不一定能夠賣給我們，而且即便我們通過特殊渠道買到高端電機產品，在缺乏算法與調試的場景下，依然可能與我們的理想結果差距甚遠。比如同樣是Maxon電機產品，Schaft公司可以通過液冷配合超級電容的方式讓幾十公斤重的機器人自己跳起來。而其他公司即便是使用相同型號的電機也很難達到這樣的效果。在人形機器人領域有些技術壁壘并不是有錢就能突破的。
人形機器人的感知能力并不是機器人公司獨有，很多研究自動駕駛的車企以及頭部的科技企業都很早地進入到了視覺與環境感知的研發的行列當中，這也就解釋了為什么特斯拉會推出人形機器人“Optimus”的原因。
底層運動算法與控制源于軟件算法的優化以及大量樣本采集，早些年波士頓動力的Atlas機器人就是靠實地測試一點點完成了運動規劃和控制的積累。它需要大量時間來沉淀，并不是依靠資本和開發人員就能縮短研發進程的，換句話說，核心部件與底層算法是硬科技實力。
▍產學研同步 中國雙足人形機器人產品躋身全球第一梯隊
中國人形機器人發展以高校和科研機構為主，相比公司的運作模式，不必過于急迫資本變現的壓力，進而可以更好地專注于產品和技術本身。并且中國大量人才集中在高校，也能實現更快速的技術轉化。同時中國擁有更大的增量市場，對于人形機器人市場也抱有更加開放的態度。
雖然中國模式可以更好地孕育技術的蓬勃發展，但卡脖子的問題真的解決了嗎？
2018年，當特朗普揮手簽署備忘錄時，中美貿易戰正式打響，中科院列出35項中國需攻堅的“卡脖子”技術清單！除了光刻機、芯片在內我們熟知的技術之外，也包括機器人核心部件、操作系統等。
轉眼間5年過去了，在人形機器人核心零部件領域，通過科研院校的摸索，突破了電機、關節驅動“卡脖子”問題。其中北京理工大學團隊協同國內優勢力量，研發了高扭矩密度伺服電機、高爆發力控關節等核心部件，電機和關節峰值扭矩密度國際領先，初步實現了驅動核心部件自主可控。北京理工華匯智能科技有限公司（以下簡稱“理工華匯”）是北京理工大學學科性公司，依托于北京理工大學人形機器人團隊，進行后續產業化工作，將話語權牢牢掌握在自己手中。
北京理工大學團隊早在2000年就開始了第一臺人形機器人的研發，僅用兩年時間，第一代人形機器人"匯童BHR-1"就正式亮相，身高1.58m，體重76kg ，全身擁有28個自由度，率先實現了人形機器人無外接電纜行走，"匯童BHR-1"的研發成功，讓中國成為繼日本之后第二個研制出無外接電纜行走人形機器人的國家。三年后，"匯童BHR-2"問世，能夠實現穩定前進，后退、下蹲、側行、上臺階等各種行走功能，而且可以完成太極拳、刀術等中國傳統武術的表演動作，同時具有語音對話、平衡覺等功能。由于"匯童BHR-2"在復雜動作協調控制方面取得重大進展，也因此成功入選國家"十五"重大科技成就展、國家科技創新成就展。“匯童BHR-3”在二代基礎上進行機構一體化設計，模塊化設計，分布式可靠性設計，在系統工程化設計及可靠性方面有重大突破，人形機器人開始正式走出實驗室，在中國科技館、廣東科學中心等實際展出。而“匯童”4則擁有多達46個自由度，突破了人類表情模擬、移動作業規劃等關鍵技術，實現了喜、怒、哀、樂等表情動作，運動性能大幅提升，“匯童”5主打高爆發運動性能，全身擁有30個自由度，突破了基于高速視覺伺服的靈巧動作控制，全身協調自主反應等關鍵技術，實現人形機器人對打乒乓球200多個回合。實現了人形機器人高度感知與運動控制能力的演示驗證。“匯童6”實現了“走、跑、跳、摔、滾、爬”多模態運動，奔跑速度達7.2km/h，跳高0.52m，跳遠1.08m，是目前國際上跳得最高最遠的電機驅動人形機器人。
經過23年的技術沉淀，歷經6代“匯童”人形機器人產品研發，可以說，“匯童”系列機器人見證了中國人形機器人的發展史。理工華匯這家企業圍繞底層算法和核心部件，經過8年試驗、應用、推廣，潛心研究、默默無聞。終于能夠聚焦人形機器人市場，形成了人形機器人、核心部件（電機、關節）等系列化標準產品，
目前理工華匯“匯童”雙足人形機器人在運動控制、導航、軟件、電機、減速器等核心零部件已經實現了自主研發國產化，并且突破了高爆發一體化驅動、仿生控制、剛柔耦合系統集成等核心技術，可實現快速行走、單腳跳躍、雙腳離地奔跑等一系列高難度運動。
自研電機、關節測試平臺
本屆2023世界機器人大會，理工華匯對“匯童”雙足人形機器人進行了更新，采用新一代自研驅動部件的“匯童”人形機器人身高達到165cm，體重為55kg，整身擁有26個自由度，奔跑速度可達7km/h，跳躍高度為0.5m，雙足原地跳躍距離可達1m，能夠自主攀登20cm高度的樓梯，自主跨越30cm高度障礙。
匯童電驅人形機器人跳高測試
匯童人形機器人跳遠
此外，在輪腿式機器人研究方面，新一代電機驅動輪腿式人形機器人擁有高爆發能力，最快行進速度15km/h，且具備適應草地、下樓梯、跳躍等運動能力。此外可以實現輪腿運動的融合。理工華匯通過長期在雙足人形機器人領域打磨，已填補國內電驅人形機器人的產業空白，對標國際市場，使中國雙足人形機器人產品在國際上有一席之地。
匯童輪腿式機器人下臺階
匯童輪腿式機器人適應草地行走
從硬件方面來看，目前中國電驅人形機器人技術已逐漸成熟，未來我們有機會看到行動更加靈活，機械力量更為強大的人形機器人產品。而隨著ChatGPT大語言模型的加入，給予人形機器人更好的思考和交互能力。未來隨著商業化大規模量產，我們將目睹中國自主研發的AGI通用人形機器人時代的到來。
我們都在說，科技改變生活，雙足人形機器人就像孤勇的前行者，離開舒適明亮的科技圈，手持火把黑暗中摸索前行。火把照亮前方未知的道路，而我們就是它曾經走過的腳印。
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