对人型机器人的研究和展望-我的2024年度总结

目录

概述

1 核心软硬件部件

1.1 运动控制部分

1.1.1 减速机

1.1.2 编码器

1.1.3 直流无刷电机

1.2 智能仿生手

1.3 控制板卡

 2 人型机器人的应用

3 未来展望

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概述

如果现在有人问：当前那个行业最火？毫无疑问答案肯定是人型机器人了。当前各类机器人相关的公司在中华大地上遍地开花，与此同时和机器人相关的配套产业链也如火如荼处于构建之中。笔者有幸于2024年进入到这个行业，做了一些研发类的工作，负责的主要产品是和机器人运动相关的核心部件：关节。下面笔者谈谈这一年多的时间里，对这个行业的一些理解和体会。

1 核心软硬件部件

人型机器人系统的核心部件包括两大类：硬件系统和软件算法。

硬件部件主要包括：运动控制部分，智能仿生手，控制板卡。

1.1 运动控制部分

运动控制部分的核心部件就是机器人的关节，其主要用于控制机器人的各个运动行为，包括：行走，跳跃，转弯等各类模拟人的行为的运动方式。机器人的关节集成电机、减速机、编码器、控制板于一身。这样可以将其体积做的足够小，便于实现机器人各个关节的控制功能。一般在机器人关节中使用直流无刷电机作为其驱动器，而电机的转速一般比较高，所以需要采用减速机使其速度降下来，以满足低速运动的要求。目前减速机的实现方式主要有：行星齿轮减速机，谐波减速机。

1.1.1 减速机

目前行业内用的减速机主要有如下两类：

1）行星减速机：具有体积小、重量轻，承载能力高，使用寿命长、运转平稳，噪声低。同时具备有功率分流、多齿啮合独用的特性。行星减速机不容易产生过冲、冲击力小、受温度影响小。

其工作原理是通过齿轮之间的比例关系实现减速功能。

缺点主要有如下几点：1）结构复杂，这导致其造价比其他减速机昂贵许多；2）采用齿轮的传动方式，导致其传递效率相对低。

2）谐波减速机：具有体积小、质量轻、传动比大，具备高性能，在轻负载领域具备优势；

其工作原理是通过柔性齿轮个钢性齿轮之间的形变实现减速功能，所以该类减速器的缺点也是非常明显的。

缺点：1）谐波减速机容易产生过冲、冲击力大、受温度影响大，长时间运行时，会发热非常严重；2）柔性次轮通过变形实现减速，会产生金属疲劳，影响减速机的使用寿命。

1.1.2 编码器

编码器是机器人关节内的重要部件，其主要用于实时监测当前关节内电机的转动位置，方便控制系统矫正关节的运行角度。编码器的型号分为两类：绝对式编码器和增量编码器。人型机器人的关节使用的编码器主要为绝对式编码器，其需要实现低功耗功能。即使机器人的主电池耗光电能，编码器依然能记住当前的位置，在电池重新恢复电量后，依然保持断电前的状态。

绝对式编码器实现原理目前主要有：磁编码和电感式编码器。磁编码器主要通过检测磁环的磁感应强度以确定当前电机的转动位置，其优点如下：体积小，安装方便、灵敏度高，且不受环境限制的优点。缺点是：编码器的实现算法相对复杂，磁性材料如果被消磁会影响编码器的精度。

电感器式编码器主要是通过专业的芯片检测电感线圈的感应强度，以确定电机的运行位置。其具体：灵敏度高，实现原理简单的优点。但其缺点主要有如下这些：体积相对于磁编码器要打许多，其需要专业的解码芯片实现角度值的运行，这导致其成本高许多、电路设计复杂。

1.1.3 直流无刷电机

机器人关节中使用的电机主要是直流无刷电机，其可通过专门的控制电路，对电机的运行状态进行精确控制。

1.2 智能仿生手

智能仿生手是人型机器人身体上的重要组成部分，其主要通过模仿人的手指功能，以代替人做一些工作。其手指的实现方式：通过对各个功能进行编码，当系统需要实现相应的功能时，主系统发送触发命令给智能仿生手，其工作方式和人与手的组合非常相似。手的动作全部通过机器人的大脑来进行编码，手进行执行大脑发送的执行指令。

目前市面上仿生手的实现原理大体上有：杠杆触发模式，电机驱动模式。

杠杆触发模式：类似人体手的结构，通过舵机控制类似肌腱的构建实现手动作的控制。

电机驱动模式： 每个关节使用直流无刷电机进行控制，其可实现的控制精度可以达到非常高的程度，但系统构造复杂，成本也相当高。

1.3 控制板卡

人型机器人系统构成相当复杂，一台标准的人型机器人全身各个关节大概需要超过32个关节，各个关节之间通CAN或者Ethernet网络联系起来，控制卡通过这些级联的传输线实现各个关节的动作控制。机器人的操作需要运行大的控制模型，这对控制器性能的要求非常高。一台完整的人型机器人控制系统的构成大致如下框图：

 2 人型机器人的应用

随着人力成本的不断上升，各个行业开始使用各类机器人以代替人类做一些事情。在工控领域，这类应用的场景非常多，例如：制造业的流水线操作、工厂内部的搬运机器人、物流行业的分类机器人等。相对于工业机器人，人型机器人的应用场景要复杂的多，包括各类民用、军用、太空探索等。当前机器人的研发还处于非常低级的阶段，当然随着大量资本的进入，这个行业也在如火如荼的进行进行技术更新和迭代，或许在不远的将来，人型机器人真的能进入到人类的生活中。但就目前的情况来看：其离应用还是有距离的。究其原理主要有如下这些：

1）成本高昂

目前一台人型机器人的成本大概需要30对个控制关节，每个关节的成本在3000~5000 RMB。这导致其综合成本在30 0000RMB左右，这使其让普通的消费者难以企及。

2）功能简单

机器人核心技术是：算法和高性能的控制器，目前国内大部分的机器人公司充其量算作机器人组装工作，很少有公司能完成算法和控制器设计的工作。市面上能看见的机器人只能实现简单的动作：行走，弹跳、语音等功能。这些功能其实简单的玩具机器人也能做这类行为。这离可以替代人类做事情的机器人的距离还非常的远。

3）续航问题

目前人型机器人基本上使用锂电池供电，一台人型机器人上需要供电的模组非常多，如果电池过大，导致机器人的总体体重非很重。电池过小，续航时间会很短。同时一台机器人的体重基本上超过50Kg，且全身大部分组件为金属结构，当系统供电不足时，机器人对环境造成的破坏也是可以预见的。所以，当前没有那个人型机器人厂家可将其产品推广到市场上来。

3 未来展望

尽管当前人型机器人行业还存在诸多的问题，但随着资本的大量涌入，会进一步推动这个领域各个技术的进步，中国具备生产机器人产品硬件完整的产业链，对于机器人的核心部件：缺高效能的机器人算法和高性能的MCU需要进步的空间非常巨大。问题总会解决，人工智能是国家的战略计划，近年来，我国已经在解决许多卡脖子的技术问题，如上问题也会有一天被攻克。人型机器人的发展前景非常值得期待。只是需要各行各业并肩齐行，真正推动其走出工厂，走进社会，为整个人类带来福祉。