芯耀
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金磊 一水 發(fā)自 凹非寺，量子位 | 公眾號(hào) QbitAI
真·見證歷史了。
全球首個(gè)人形機(jī)器人半程馬拉松在北京亦莊開跑，足足21公里。
火爆程度，就連央視都現(xiàn)場(chǎng)直播，話題更是沖上了微博熱搜。
這次半馬，一共有20個(gè)人形機(jī)器人與1.2萬(wàn)人類共同參賽，而在比賽開始2小時(shí)40分42秒之后，這個(gè)“全球首個(gè)”的比賽冠軍誕生了——來(lái)自北京人形機(jī)器人創(chuàng)新中心的全尺寸人形機(jī)器人——天工Ultra。
是直接打破世界紀(jì)錄的那種！
要知道，在這將近3個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，天工Ultra全程是沒有遙控的，而是使用了無(wú)線領(lǐng)航技術(shù)完成跟隨導(dǎo)航和長(zhǎng)程路徑規(guī)劃。
值得注意的是，天工Ultra是用同一臺(tái)機(jī)器人完成了整個(gè)比賽，全程沒有替換機(jī)器人。
不僅如此，天工Ultra自身身高達(dá)到了1.8米，體重55kg，對(duì)人形機(jī)器人來(lái)說(shuō)，身高體重每增加一點(diǎn)，那么其技術(shù)難度可以說(shuō)是指數(shù)級(jí)增加。
而天工Ultra屬于所有參賽“選手”中身高最高的那一個(gè)（最矮的僅75厘米），這一全尺寸人形機(jī)器人設(shè)計(jì)方案帶來(lái)了多重技術(shù)挑戰(zhàn)。
首先，整體重心的顯著上移對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了更高要求；其次，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須同步升級(jí)以適應(yīng)倍增的扭矩需求和更強(qiáng)的沖擊載荷。
同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制算法需要重構(gòu)以應(yīng)對(duì)急劇增加的慣性效應(yīng)和更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)平衡問(wèn)題；此外，系統(tǒng)能耗也將因負(fù)載的大幅增加而呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。
因此，又是全尺寸，又是最高，又能堅(jiān)持全程跑下來(lái)，天工Ultra確實(shí)是有點(diǎn)實(shí)力在身上。
全尺寸的難，是怎么解決的？
全尺寸人形機(jī)器人面臨的首要挑戰(zhàn)來(lái)自硬件系統(tǒng)。
當(dāng)天工Ultra這樣的180cm、55kg全尺寸機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)走路、跑步和長(zhǎng)時(shí)間工作，每一步都需要承受超百斤體重的沖擊，這對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、散熱系統(tǒng)和能源管理都提出了極高要求。
以提供最關(guān)鍵動(dòng)力的一體化關(guān)節(jié)為例，要在小體積下驅(qū)動(dòng)超百斤的機(jī)身，此前的電驅(qū)關(guān)節(jié)往往很快就會(huì)過(guò)熱報(bào)警。
天工Ultra采用大功率一體化關(guān)節(jié)，通過(guò)提升槽滿率20%以上、減少繞組端部體積30%，在相同功率下降低銅損15-20%，從源頭減少熱源產(chǎn)生。
同時(shí)整機(jī)熱管理系統(tǒng)的創(chuàng)新，進(jìn)一步克服了散熱瓶頸。
通過(guò)整機(jī)熱仿真模擬計(jì)算出最優(yōu)散熱風(fēng)道，采用定向氣流將關(guān)節(jié)熱量導(dǎo)向主散熱區(qū)，使關(guān)鍵關(guān)節(jié)溫度穩(wěn)定在70℃以下，確保電機(jī)扭矩輸出不因過(guò)熱而衰減。
這種設(shè)計(jì)經(jīng)受住了21公里持續(xù)奔跑的嚴(yán)苛考驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)級(jí)耐久度。
而剛?cè)狁詈系耐炔拷Y(jié)構(gòu)解決了全尺寸大體重造成的沖擊吸收難題。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)借鑒生物力學(xué)原理，采用上移腿部元器件的“近端質(zhì)量集中”策略，將電機(jī)等核心驅(qū)動(dòng)件向髖部集中，顯著減小了腿部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
同時(shí)，腿部連桿采用剛?cè)狁詈显O(shè)計(jì)，在腳步接觸地面時(shí)產(chǎn)生彈性形變，具備類似人類跟腱的儲(chǔ)能特性，既降低了峰值沖擊力，又能利用彈性勢(shì)能輔助邁步動(dòng)作。
能源系統(tǒng)采用卡扣復(fù)合式快換電池倉(cāng)設(shè)計(jì)，單個(gè)電池模塊可在120秒內(nèi)快速更換，配合智能化能源管理系統(tǒng)，讓人形機(jī)器人未來(lái)實(shí)現(xiàn)7x24小時(shí)穩(wěn)定無(wú)休地工作成為可能。
而除了硬件方面之外，全尺寸人形機(jī)器人軟件系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)同樣巨大，更大的機(jī)身尺寸需要更強(qiáng)的感知、決策和行動(dòng)單元，并解決在復(fù)雜環(huán)境中的自主導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)平衡和長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定精準(zhǔn)控制等問(wèn)題。
天工Ultra依托“慧思開物”通用具身智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了“大小腦”協(xié)同的智能控制系統(tǒng)。
首先，具身大腦負(fù)責(zé)高級(jí)任務(wù)規(guī)劃和環(huán)境感知。通過(guò)提升具身大腦的能力，人形機(jī)器人能夠更好地理解和適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。
例如，具身大腦可以通過(guò)多模態(tài)感知（視覺、聽覺、觸覺等）實(shí)時(shí)獲取環(huán)境信息，并根據(jù)這些信息動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)器人的行為。這種能力對(duì)于機(jī)器人在不同場(chǎng)景（如家庭、工業(yè)、醫(yī)療等）中的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。
其次，基于SLAM構(gòu)建的3D環(huán)境語(yǔ)義地圖使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)感知靜態(tài)與動(dòng)態(tài)障礙物，預(yù)測(cè)其運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并動(dòng)態(tài)生成安全避障路徑，機(jī)器人具備這些能力后，就可以在狹窄復(fù)雜的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)高魯棒性的自主導(dǎo)航與協(xié)同作業(yè)能力。通過(guò)融合語(yǔ)義環(huán)境理解與動(dòng)態(tài)行為預(yù)測(cè)，完成高復(fù)雜度自動(dòng)化車間的自主通行或突發(fā)障礙下的應(yīng)急避讓等高難度任務(wù)，大幅提升服務(wù)效率與安全冗余度。
具身小腦則專注于全身動(dòng)作的精確控制和動(dòng)態(tài)平衡。
天工采用的“基于狀態(tài)記憶的預(yù)測(cè)型強(qiáng)化模仿學(xué)習(xí)”方法，通過(guò)引入時(shí)序本體狀態(tài)信息形成短時(shí)記憶，使機(jī)器人能夠估計(jì)和預(yù)測(cè)難以直接觀測(cè)的狀態(tài)信息。
這一技術(shù)在仿真訓(xùn)練中增加了外力干擾和域隨機(jī)化，大幅提高了仿真到實(shí)機(jī)的遷移成功率。
測(cè)試顯示，機(jī)器人能夠抵抗高達(dá)45Ns沖量的外部沖擊，在雪地等復(fù)雜地形被外力拖拽時(shí)也能自動(dòng)保持平衡，這為未來(lái)廣泛應(yīng)用于戶外作業(yè)的場(chǎng)景提供了有效支持。
運(yùn)動(dòng)控制算法的創(chuàng)新解決了全尺寸機(jī)器人特有的高重心、大慣性難題。
通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)反復(fù)迭代，機(jī)器人獲得了近乎本能的平衡控制能力，能夠根據(jù)外部傳感器的深度圖和點(diǎn)云信息，靈活調(diào)整步態(tài)和速度，應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜地形。
算法優(yōu)化使機(jī)器人單步周期縮短，更符合高速奔跑時(shí)對(duì)腿部快速擺動(dòng)的要求。
同時(shí)，除了日常的行走和奔跑外，人形機(jī)器人在上肢精細(xì)操作和上下肢協(xié)同能力上，全尺寸人形機(jī)器人比小尺寸人形機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法也有了更高的要求。
耗費(fèi)如此多頂尖工程師的腦細(xì)胞來(lái)攻克技術(shù)難題，原因就在于——
落地應(yīng)用需要人形機(jī)器人具備全尺寸
人形機(jī)器人的終極目標(biāo)，終究是大規(guī)模應(yīng)用落地。
現(xiàn)實(shí)世界的絕大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、工具和場(chǎng)景都是圍繞成年人的身高體重來(lái)設(shè)計(jì)的，因此只要人形機(jī)器人想無(wú)縫融入并服務(wù)于人類社會(huì)，就必須適配這些預(yù)設(shè)的物理尺度。
換句話說(shuō)，全尺寸是人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)通用的必要前提。
在很多當(dāng)前急需人形機(jī)器人的工業(yè)、特種作業(yè)和商業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，“全尺寸”是能上場(chǎng)工作的基礎(chǔ)條件：
高度與設(shè)備適配：各類重型設(shè)備與機(jī)器的分布和操作高度通?；诔赡耆说纳砀咴O(shè)計(jì)，因此只有全尺寸機(jī)器人才能完成操作儀器裝備等任務(wù)；
更能應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形：從重型工廠到油田電塔，越是條件艱苦需要機(jī)器人完成的工作，“地面條件”就越是崎嶇復(fù)雜，全尺寸機(jī)器人更長(zhǎng)的腿部結(jié)構(gòu)，才有機(jī)會(huì)具備更好的地形通過(guò)性；
長(zhǎng)續(xù)航能力：由于全尺寸機(jī)器人可以配備更大的電池組，因此可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航能力，減少充電次數(shù)；
……
換做目前技術(shù)相對(duì)更成熟的機(jī)器狗，以及身高接近兒童的人形機(jī)器人，在很多真正的“工作”上可能都“有心無(wú)力”。
同時(shí)需要注意的是，不止天工機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域選擇了全尺寸，一些國(guó)外知名機(jī)器人公司也在實(shí)踐中逐漸確立了這一尺度標(biāo)準(zhǔn)。
包括我們比較熟悉的特斯拉Optimus（1.72米），據(jù)投資機(jī)構(gòu)ARK Invest的一份報(bào)告顯示，Optimus的尺寸設(shè)計(jì)直接參考了美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）的工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，特別是針對(duì)“垂直作業(yè)空間”（Vertical Work Zone）的要求。
以及在倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)景中，亞馬遜已測(cè)試人形機(jī)器人Digit（1.75米）與現(xiàn)有物流系統(tǒng)的兼容性，其臂展必須達(dá)到72厘米（模擬成人臂長(zhǎng)）才能操作標(biāo)準(zhǔn)貨箱。
當(dāng)然，和上面類似的理由也適用于商業(yè)服務(wù)場(chǎng)景和家庭服務(wù)場(chǎng)景，而且由于這兩個(gè)場(chǎng)景更有可能和人類近距離接觸，因此對(duì)全尺寸的要求只會(huì)更高。
之所以這樣說(shuō)，主要是已經(jīng)有行業(yè)玩家大量“踩坑”，為后人積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)（doge）。
2022年，日本東京希爾頓酒店在測(cè)試軟銀Pepper機(jī)器人時(shí)，因身高只有1.2米，在嘗試搬運(yùn)20英寸登機(jī)箱（高55cm、重8kg）時(shí)無(wú)法將其放上行李推車。
還有在2012年首次亮相的豐田HSR家務(wù)機(jī)器人（Human Support Robot），因身高只有1.03米（影響因素占72%），在日本橫濱老年護(hù)理中心的實(shí)地測(cè)試中，嘗試拿取吊柜內(nèi)物品（如餐具、食品）的失敗率高達(dá)89%，一度廣受詬病。
盡管這兩者并非嚴(yán)格意義上的人形機(jī)器人，但的確反映出尺寸受限無(wú)法良好適配現(xiàn)實(shí)環(huán)境。
一言以蔽之，理論上全尺寸是人形機(jī)器人走向規(guī)?；慨a(chǎn)的必然選擇。
目前，以天工機(jī)器人為代表的行業(yè)玩家正在形成一股趨勢(shì)：全尺寸設(shè)計(jì)是必然選擇。只有開發(fā)出符合人類社會(huì)構(gòu)型的人形機(jī)器人，它們才能真正融入人類社會(huì)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)共生。
再加上天工機(jī)器人在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域（本體、運(yùn)控算法、能耗系統(tǒng)等）取得的一系列核心突破，“2025是人形機(jī)器人商業(yè)化量產(chǎn)元年”這一說(shuō)法的含金量還在上升。
畢竟剛剛落幕的比賽已經(jīng)證明，全尺寸的天工機(jī)器人能夠參加這次大賽，并以破紀(jì)錄的成績(jī)拿下第一，其軟硬件技術(shù)已經(jīng)具備走出實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)大潛力。
總體而言，本次備受關(guān)注的半馬比賽是人形機(jī)器人軟硬件的第一次硬核檢閱，其場(chǎng)面堪比改寫自動(dòng)駕駛歷史的DARPA比賽。
要知道2004年，DARPA舉辦首屆自動(dòng)駕駛汽車挑戰(zhàn)賽時(shí)，沒有一輛車可以跑完全程。而第一次參賽的天工機(jī)器人，一鳴驚人，首戰(zhàn)即功成。
