從“阿特拉斯”的驚艷后空翻到“菲多爾”人形機器人會使用各種工具，標志著機器人技術已從行走、單腿站立、跳躍、上下樓梯、躲避障礙物等低層次機械重復動作，向后空翻、開槍射擊、自主導航等“高大上”精細運動技能方向發(fā)展。尤其是美國“索菲婭”人形機器人首次被沙特授予公民身份，加速了人形機器人的“合法化”進程。

　　人形機器人技術的突飛猛進，得益于人工智能技術的快速發(fā)展，取決于巧妙絕倫的仿生結(jié)構(gòu)設計和日新月異的驅(qū)動控制技術。

結(jié)構(gòu)設計科學合理

　　所謂人形機器人，是指模仿人類雙腿步行的仿生機器人，它具有一定智能水平，是仿生機器人中更靈巧、更智能的復雜機器人系統(tǒng)。合理的仿生設計是人形機器人發(fā)揮功能作用的基礎。

　　其結(jié)構(gòu)設計是基于仿生學原理，在提取人類結(jié)構(gòu)精髓的基礎上進行簡化，開發(fā)出由各種關節(jié)組成的高度靈活性的類人機器人，通常由驅(qū)動機構(gòu)、連桿機構(gòu)、傳動機構(gòu)、減速機構(gòu)、傳感器和控制器等組成，模仿人的運動生理結(jié)構(gòu)。

　　“阿特拉斯”人形機器人是由模擬人體結(jié)構(gòu)和外形大小的兩條胳膊、兩條腿、軀干和頭部等組成，其身高1.88米，重150千克。韓國“HUBO”機器人結(jié)構(gòu)設計獨特，在雙膝上裝有主動驅(qū)動輪，腳上配有被動輪，使其能在平地上快速而穩(wěn)定地運動。美國卡內(nèi)基·梅隴大學的“CHIMP”機器人采用可變形結(jié)構(gòu)，使其既能像人類一樣雙腿直立，亦可將兩個下肢變形成兩個履帶，或?qū)⑺闹冃螢槁膸ЫY(jié)構(gòu)，還可根據(jù)任務不同靈活變換結(jié)構(gòu)，如采用雙履帶結(jié)構(gòu)移至車門，用雙臂開門，隨后變形為雙腿直立結(jié)構(gòu)下車。

驅(qū)動技術日新月異

　　驅(qū)動技術是人形機器人的動力來源。人形機器人一般采用液壓、電機、形狀記憶合金和氣動人工肌肉等驅(qū)動技術，憑借良好的抗干擾性能，人形機器人一誕生就備受關注。

　　最初的“阿特拉斯”人形機器人是基于波士頓動力公司早期的“佩特曼”人形機器人研發(fā)改進而來，全身采用28個液壓驅(qū)動關節(jié)，動力來自于功率為15千瓦的480伏三相電源，配備嵌入式液壓泵，使用身體和腿部的傳感器維持平衡，能夠?qū)崿F(xiàn)對閉環(huán)位置和力量的控制，具有出色的行走、單腿站立、跳躍、上下樓梯、躲避障礙等能力。改進型“阿特拉斯”去除了電源插頭，更新了除小腿和腳之外約75%的系統(tǒng)，配備新型液壓泵，調(diào)整了其臀部、膝蓋和背部的驅(qū)動器，能在摔倒后自行起立，并具備無線通信能力。

　　動力裝置采用可持續(xù)供電1小時的3.7千瓦鋰離子電池，這是機器人最終能走出實驗室的關鍵。日本“HRP-2”人形機器人采用電機驅(qū)動技術，配裝緊湊型液冷電機和高輸出驅(qū)動模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)在高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下不產(chǎn)生過熱問題。

控制技術日臻成熟

　　運動控制和功能控制是人形機器人控制的主要內(nèi)容。其中，運動控制涉及步態(tài)規(guī)劃、步態(tài)控制以及高難度精細動作控制。如何設計步行機器人的腿間作用機制，實現(xiàn)復雜地形條件下的身體平衡自適應調(diào)整，生成穩(wěn)健自如的自由步態(tài)，是必須解決的關鍵問題之一。

　　在“機動性與操縱能力最大化”項目下，美國國防部高級研究計劃局已與多家研究機構(gòu)簽訂合同，開展機器人控制技術研究，涉及基于環(huán)境的動態(tài)步態(tài)選擇、身體重心調(diào)節(jié)以及動態(tài)穩(wěn)定控制等多個方面。美國HRL實驗室還將開展腿形運動、生物運動調(diào)節(jié)、深化對生物運動的認知研究，使人形機器人無論是在一馬平川的平坦地面，還是在崎嶇不平的山區(qū)，都能獲得高速、靈巧的運動能力。

　　美國“阿特拉斯”和俄羅斯“菲多爾”機器人運動控制的重點主要集中在高難度精細動作的突破上?！鞍⑻乩埂比诵螜C器人配備嵌入式實時控制計算機、激光雷達、立體傳感器、專用傳感器和感知算法軟件等，可實時感知并計算控制力，不但能使身體在運動控制中保持平衡，還具備強大的目標探索識別能力，能夠在室內(nèi)和室外進行自主導航。

　　俄羅斯“菲多爾”人形機器人具有靈活的手指，可以使用各種工具，并具備一定的自主學習能力，能在規(guī)定場景中拿起儀器并操作，尤其是具備精準的射擊能力，使其在軍事作戰(zhàn)方面表現(xiàn)出巨大的潛力。該機器人將成為俄羅斯“聯(lián)邦”號新型宇宙飛船2021年首飛時的唯一“乘客”，并將參與2031年俄羅斯的探月計劃。

　　隨著人工智能技術研究的持續(xù)深入，各種高智能、多功能、反應快的人形機器人將不斷“橫空出世”。目前，一些軍事強國正在積極研發(fā)具有一定思維、分析和判斷能力，能夠辨別敵我的“機器人士兵”，它們不僅能從事繁重的勤務支援保障工作，還可以直接遂行作戰(zhàn)任務。屆時，組建人形機器人部隊走上一線戰(zhàn)場，將不再是科幻大片的場景。