人形机器人技术发展及瓶颈分析

一、综述 1.人形机器人技术发展及瓶颈分析 -从20世纪初的概念提出到80年代的技术突破，再到21世纪日本的领先地位以及近期美国波士顿动力和特斯拉等企业的技术创新，人形机器人领域取得了显著进步。 -技术瓶颈主要包括：①结构设计(骨骼系统)，复杂的仿生设计直接影响机器人的运动性能与功能实现；②手指精细化设计尚未在工业应用中广泛应用，灵巧手技术研发面临挑战。 -索辰科技通过软件技术积累降低研发门槛，推动智能行为和环境适应性的提升。一、综述 1.人形机器人技术发展及瓶颈分析 -从20世纪初的概念提出到80年代的技术突破，再到21世纪日本的领先地位以及近期美国波士顿动力和特斯拉等企业的技术创新，人形机器人领域取得了显著进步。 -技术瓶颈主要包括：①结构设计(骨骼系统)，复杂的仿生设计直接影响机器人的运动性能与功能实现；②手指精细化设计尚未在工业应用中广泛应用，灵巧手技术研发面临挑战。 -索辰科技通过软件技术积累降低研发门槛，推动智能行为和环境适应性的提升。 2.核心技术难题详解 -技术瓶颈一：电机驱动与模拟人类肌肉驱动的选择问题，电机驱动关黄虽已成熟，但人造肌肉在能量效率和自然性方面仍有待突破。 -技术瓶颈二：上肢复杂度高，大量电机集成导致控制难度大，尚需进一步提高精细操作能力。 -技术瓶颈三：感知能力是智能化基础，需要开发高度复杂的感知系统以模拟人类神经系统。 3.索辰科技在人形机器人领域的深耕与创新 -索辰依托国家重大科研项目，成功研发出冬奥会指定的冰壶、滑雪机器人，展现出极高的操作精度和技术实力。 -核心部件取得突破，自主研发了国际领先的六维力与力矩传感器，有效解决了关节技术难题。 4.市场前景与产品发展规划 -索辰调整业务战略，聚焦市场需求，致力于提供全面的人形机器人解决方案，并预计在3C行业应用广泛，尤其在六足机器人领域有望引领全球。 -在核心技术上，持续突破软硬件结合问题，特别是在感知能力和六维力传感器技术上保持领先，计划推出标准化的产晶供应市场。 5.当前主要技术瓶颈及其解决趋势 动力系统的能源密度低和散热问题是制约人形机器人驱动能力的关键因素，而智能控制软件的优化则关乎协调性和灵活性。 7六维力传感器技术日益成熟，对于行走稳定性和手臂精细操作至关重要，其标准化生产有助于加快人形机器人的整体技术进步。 6.智能设计与动力学模型挑战 -智能设计不仅涉及机器学习，还需专门针对人形机器人特性进行设计。 -复杂的动力学模型处理是难点，需借助于机器学习与模型训练相结合的方式改进预测控制能力。 7.强化学习在解决动力学难题中的作用 -强化学习用于生成高效控制算法，并为优化设计参数如电机功率、惯量匹配等提供依据，进而影响机器人配重和快速反应能力。 -结合传统动力学计算，确保在利用机器学习的同时，在强度、刚度等方面达到合理设计标准，使人形机器人兼具高性能和实用性。二、详细介绍 1.探究人形机器人技术难点 非常感谢大家今晚八点准时参加我们的电话会议。今天的会议非常重要，我们很荣幸邀请到了索辰科技的首席科学家高峰教授，国家973计划的首席科学家，以及索辰的副总曾总和公司总理谢总，还有安亚团队。 众所周知，就在前几天，索辰科技发布了他们的第一款人形机器人，这是一个里程碑。索辰此前成立了机器人事业部，旨在将工业软件领域的专业技术与丰富经验相结合，推动工业软件与机器人技术的融合与创新。目前，该部门已经推出了针对机器人行业的专业软件和解决方案。预计这将极大地降低机器人研发的技术难度，并提高企业创新平台的效率。 今天，我们有幸邀请到首席科学家高峰教授，他不仅在国内，在国际学术界和工业界也享有很高的声望。高教授是国家973计划首席科学家，国家杰出青年基金获得者。曾任河北工业大学校长，上海交通大学机械系统与控制工程国家重点实验室主任，以及重大装备设计与控制工程研究所所长。下面请高教授就“人形机器人的技术瓶颈在哪里”这一主题分享他的见解。分享结束后，我们将开放提问环节。高教授，有请。 诸位好，主持人好，我很高兴有机会与大家在线上交流。我想简要介绍一下我对人形机器人的看法。人形机器人与其他机器人的主要区别在于它的形态类似人类。我们通常称之为仿人机器人。 人形机器人主要由四部分组成：结构、控制系统、环境适应性和作业多样性。首先，机器人的构型需要灵巧，这就涉及到机构的设计问题。其次是快速响应的控制系统，它不仅是一个控制问题，也是机械系统设计的一部分。第三是环境适应性，这涉及到机器人的智能特性，使其能够适应不同的环境挑战。最后是作业多样性。例如，人形机器人的手部设计是一个挑战，尽管一些机器人有手指，但却无法有效使用。而在工业应用中，灵巧手的应用还是较为罕见的。 人形机器人的发展可追溯到1920年，并在80年代和2000年初期经历了重要的发展。日本在早期的人形机器人研究中取得了巨天的成功，特别是在智能化方面。而美国波士顿动力的人形机器人发展，特别是Atlas机器人的进步，重新唤起了世界对人形机器人能力的关注。 近年来，特斯拉也投入到人形机器人的研发中，其研究路径以应用为驱动，计划在生产线上替代人力作业，他们宣称将生产出成本低于汽车的机器人。虽然这可能包含炒作元素，但我们相信，这是逐渐迈向人形机器人时代的一个信号。 人形机器人的关键技术包括骨骼、或机构和结构的设计，这对机器性能和功能至关重要。机构的创新是人形机器人发展的核心。机器人的运动能力和驱动方式也是设计的关键要素，其中轻量化和刚度都是重要的设计目标。 2.人形机器人技术瓶颈剖析 再一个就是肌肉问题比较难解。目前，人形机器人的关节主要通过电机驱动，这与人体的骨骼和肌肉机制有很大差异。人体依靠骨骼承载重量，而肌肉提供动力。电机和人体肌肉的工作机制截然不同。经过多年研究人形机器人，我深信使用电机驱动人形机器人并 非最终解决方案，未来有可能淘汰这一 技术。目前已有许多研究肌肉驱动技术，并做出 了有意义的贡献，人造肌肉的研究也取得了进展，但目前我们依然只能依靠电机或液压系统等组件来模拟肌肉功能。 第二部分是关于一体化关节的电机驱动问题。至于第三部分，即下肢和上肢关键的关节如髋关节、膝关节、踝关节，一般采用六个自由度来实现运动。特别是脚板，虽然在残疾人假肢研究中很重视，但人形机器人设计时往往被忽视了。 上肢即手臂的设计对我们也十分重要。现在工业机器人中有许多轻便灵巧的机械臂，对人形机器人的手臂要求也相似。手臂需要轻巧并具有较好的负重能力，其中灵巧手是一个难点。我国在这方面投入了大量研究，在太空站的应用中也可见一斑。但是，灵巧手的有效使用仍然是一个挑战，因为一个手指需要四个电机驱动，也就是说两只手是40个电机，这比手臂和腿的电机数量还要多。由于人类大脑90%以上的功能用于控制手指，这说明手指的控制极为复杂。如果没有智能系统，灵巧手将难以使 用，因为选择太多，解决方案过于琐碎，我们难以找到最佳解。然而人使用手指时却无比灵巧，这需要借助人工智能来解决。 接下来是大脑的问题，人的行为是身体和智能的结合。大脑相当于人类的智能，但是在机器人中，大脑功能的实现不止是简单的认知和决策。大脑系统复杂多样，需要我们利用计算机及其智能软件或芯片来解决这一问题，这是一个漫长的研究过程。 还有就是神经系统，即感知与融合。感知系统在中国传统中医中有望、闻、问、切这四余字相对应的还有一个成语“神工鬼斧”，即直觉应对。机器人的智能必须建立在感知能力之上合目前大多数工业机器人都不具备感知系统，只能重复固定动作。加入视觉或力觉系统后，机器入才能真正智能化。因此，神经感知系统极为重要。 关于大脑，学界已经有了很深入的分类和研究。我们通常说的大脑，包括大脑皮层、小脑、脑干等多个部分，这些都是人形机器人关键技术研究的对象。人形机器人技术研究可以总结为三个关键点：体能(骨骼和肌肉)、技能(运动和平衡)、智能(认知和决策)。 这些是人形机器人的基础，并且涉及机械、材料、控制、智能等多学科交叉特点。关键在于突破机器人的感知、驱动、传动、控制、智能等技术层面。以上是我对人形机器人技术的一些看法。 简单介绍一下我们团队的工作。我本人从事机械原理研究，从1982年开始研究机器人设计至今已有四十多年，积累了丰富的理论和经验。然而，一直未与企业直接合作进行研究，我们的团队一直在学校以项目的方式进行研究开发。 3.深耕机器人领域_索辰科技突破 我们很荣幸在2009年获得了国家863计划的支持，承担了四足机器人项目。到了2013年，我们又获批国家973计划的核电救援机器人项目，这也是我成为973项目首席科学家的原因。我们国家对于核电救灾领域的投入巨大。我负责的是国家自然科学基金的重点项目，特别是在2021年冬奥会期间，我们承担了国家科技部指定的项目。 在短短半年时间内，我们制作了12台专门为冬奥会设计的机器人，包括滑雪和冰壶项目，以及导航机器人。我们的冰壶机器人在冬奥会现场完成了六次击打，实现了六打六中的精准记录。40米距离打冰壶的能力得到了全世界的关注。美国《新闻周刊》还在头版头条报道了中国的滑雪机器人，认为它不可思议。这不仅是对我们团队能力的一种认可，也展现了我们在机器人产业化方面的实力。 我们自90年代开始，在863计划支持下研究了六维力和力矩传感器。如今，我们已经在产业化方面取得了显著进展。这种传感器不仅可以测量力，还能够区分重力和惯性力，去除末端影响，直接测得接触力。目前国际上的六维G传感器中，没有能具备这样功能的 。这对人形机器人来说，尤其是脚腕和手腕关节非常关键。我们还自主开发了与电机驱动器和减速器组合的关节模块，这在人形及协作机器人中是一个基础而重要的部件。 我们的团队在机器人驱动关节的研发上，积累了丰富的经验。2013至2014年期间，我们还因机器人的构型和性能设计被授予国家自然科学基金二等奖，这在机械工程领域是极为难得的荣誉。索辰机器人的加入，就是结合我们在仿真动力学及前端设计方面的丰富经验，完善整个机器人的设计系统。 我们的性能设计方面也有很多进展，包括机器人性能评价指标和机构尺寸之间关系的建立。对于机器人性能的优化至关重要。我们主要研发并联协作机器人，这是一种特殊型态的机器人，主要应用于3C行业的精密组装工作。我们预计，未来3C行业中机器人的数量将超过汽车行业。我们希望通过技术推动这一行业的机械化发展。 我们还在重载、高响应和高精度定位并联机器人系统上有重大技术积累。例如，在嫦娥五号任务中我们负责飞船对接地面模拟的实施，这也为海上核电性能考核贡献了力量。 此外，我们的六足机器人技术在全球都处于领先地位。国内我们是最早提出电动六足机器人的研发团队，研究涵盖类螃蟹、蜘蛛、章鱼和昆虫四大类形态。六足机器人相较于二足和四足机器人，在复杂地形中具有更强的稳定性和负载能力。现在我们正将这些基础研究与人工智能相结合，以提升机器人性能。 最后，非常感谢各位的聆听。接下来，我们有幸邀请到公司副总裁孙总在线上，您能否介绍一下公司的业务发展计划，以及软硬件发展策略？谢谢。 4.人形机器人技术瓶颈解析 谢谢杨总。我们索辰机器人的业务发展规划实际上是一个不断变化的过程，始终与市场发展和自身情况相调整。从最初设想的角度来说，我们希望提供一整套专业的软件解决方案，包含产品功能需求分析、构型设计、详细设计优化、到仿真控制算法等。然而，我们认识到软件开发是时间跨度较长的任务，而机器人行业仍处于起步阶段，对正向研发的需求还在持续增长。我们正在寻找市场上更为迫切的需求，以此作为切入点或许更为合适。 核心来说，我们关注的是机器人的“小脑”解决方案，即如何去本能控制机器人的运动并应对各种场景。这其中最重要的是系统的控制算法。我们认为，这不仅仅是软件问题，而是一个软硬件结合的问题。目前，国内人形机器人发展普遍面临的挑战是缺乏感知能力，特别是在六维力传感器上。 我们拥有的六维力传感器技术处于世界领先水平。我们考虑将它