西木科技拓宽人形机器人研究新角度

本文来自于第八届中国机器人峰会上张晓光题为《机器与人，更近一步》的报告，通过录音整理而成。

本文从产业界的视角出发，探索研究人形机器人的意义，介绍人形机器人研究的困难与挑战,以及Westwood Robotics（下称“西木科技”）的小型人形机器人产品BRUCE。场景驱动下诞生的人形机器人面临着双足形态天然不稳定的难题，为此，西木科技人形机器人的开发者通过多种技术，实现机器人的不断优化，拉近人与机器的距离。

▍1.人形机器人的发展：功能决定形式

机器人为什么要做成人的样子？人们希望机器人可以更多地融入日常生产与生活中，面对专门为人类而设计和建造的生活和工作环境，仿人形的机器人拥有形式上的先天优势，可以更自然、更容易地“兼容”当前环境，同时也更容易被人们所接受。

▍2.人形机器人研究的困难与挑战

行业对人形机器人研究的热度持续高涨，但在人形机器人的研究工作中尚且存在许多的困难和挑战，其中最棘手的问题为人形机器人的“摔倒”（图1）。

图1 人形机器人的“摔倒”难题

由于双足形态天然的不稳定特性，想要让人形机器人保持平衡远没有那么容易，而且当机器人摔倒时，不会像人类一样主动采取保护姿势，往往还伴随着千奇百怪的抽搐，因此人形机器人一旦摔倒，场面将会惨不忍睹。

目前人形机器人的体积与成年人一般大，这给摔倒后所需要开展的调试工作带来一定的安全风险。同时复杂程度大、耗费时间长、投入成本高都是后期维修所要面对的问题。但如果惧怕这些风险与挑战，害怕机器人摔倒和摔坏，那么人形机器人的研究道路将会止步不前。所以，为了更方便地开展人形机器人的研究，笔者及其团队开发了一款对开发者非常友好的小型人形机器人——BRUCE（图2）。

图2 小型人形机器人——BRUCE

▍3.BRUCE机器人

BRUCE全称Bipedal Robot Unit with Compliance Enhanced，是一个用于科研和教育的儿童尺寸人形机器人开放平台，相关特性如图3所示。

图3 BRUCE相关特性

3.1 BRUCE功能介绍

BRUCE身高70cm，体重仅4.8kg，使用一块3000mAh的锂电池，续航时间可长达20min。BRUCE机器人具备令人瞩目的功能。它不仅能够与人们进行友好的互动（图4），在动态运动方面，BRUCE机器人实现了稳定的行走（图5），这需要复杂的姿态控制和平衡算法的支持。更为引人注目的是，BRUCE机器人能够在受到来自各个方向的外部冲击时，保持相对的平衡（图6），这彰显了强大的实时反馈控制能力。

不仅如此，BRUCE是在世界范围内为数不多的能够实现跳跃功能的人形机器人（图7），即便是小幅度的跳跃也需要精确的运动规划和控制。此外，它还能够以令人印象深刻的速度和稳定性进行跑步，这反映出在高速动作规划和控制方面的显著进步。

图4  BRUCE打招呼

图5  BRUCE动态行走

图6  BRUCE接受一定的外部冲击力

图7  BRUCE进行小跳

这些技术突破不仅是机器人工程领域的成就，也为未来机器人在多领域的应用带来了前所未有的可能性。然而，这些令人惊叹的功能的实现并非易事，需要复杂的硬件创新和精湛的软件控制，以及跨领域的合作和深入的研究。通过持续不断的努力和创新，人形机器人领域将会进一步发展，并为机器人技术带来更广阔的前景。

3.2 BRUCE设计特点

3.2.1 无线急停保护

对于一个具备高动态性能的人形机器人，急停保护的作用是至关重要的。人形机器人在运动过程中可能会遇到各种意外情况，例如突然出现的障碍物、不稳定的环境、机械故障以及程序漏洞等，这可能导致机器人的失控或不安全状态，同时危及周围的环境和人员的安全。BRUCE的无线急停保护系统允许操作员或监控系统能够在发生紧急情况时立即通过无线遥控停止机器人的运动并使得它的下半身全部驱动器进入阻力保护模式，以避免潜在的危险和伤害。3.2.2 膝关节仿生设计与拓扑优化

BRUCE优异的动态性能和出色的鲁棒性不仅源于全身的碳纤维构架，同时也源于开发者对其每一个结构件进行了深入的仿生设计和拓扑优化。其中，BRUCE膝关节有一个类似于人体膝盖的零件，是整条腿中最重要的结构件，优化后重量仅为34.5g，仅占整条腿重量的2%（图8）。

图8  BRUCE膝关节仿生设计与拓扑优化

3.2.3 髋关节仿生设计与拓扑优化

BRUCE髋关节的结构和人类的骨盆非常相似，作为仿人型机器人，BRUCE髋关节的载荷模式也和人类是非常相似的，而人类或者说生物在亿万年中所进行的进化、结构和形态的改变，其实就是大自然在进行的一场异常庞大而无比精细的拓扑优化（图9）。

图9  BRUCE髋关节仿生设计与拓扑优化

在髋关节处，开发者还设计了一套有趣的锁结构（图10），这套锁结构相较于传统的齿轮和连杆传动方案效率更高、节奏更紧凑、成本更低廉，而且精度得到了大幅提升。这套锁结构也和人体的关节非常相似，依靠骨骼来提供支撑，依靠交叉韧带来实现精准高效的传动。

图10  BRUCE髋关节锁结构

3.2.4 踝关节驱动器“去耦合”

为降低整条腿的转动惯量，开发者对BRUCE的踝关节驱动器进行“去耦合”，最终BRUCE小腿和脚的总重只有130g，而整条腿的转动惯量相较于直接耦合设计降低了近4倍（图11）。

图11 踝关节驱动器“去耦合”

3.2.5 “落脚”控制算法设计

开发者在BRUCE的控制算法上也实现了一定的突破。通常情况下，双足机器人在行走时会通过实时规划下一个落脚点来保持平衡，但人类在失去平衡时，不仅会调整自身的下一个落脚点，还会缩短落脚时间来实现更稳定的落脚。在人形机器人的研究中，研究者普遍会选择一个固定的步态周期来降低问题的复杂程度，而在综合考虑人类的情况和机器人的情况后，在控制算法（图12）中考虑缩短落脚周期，BRUCE配合算法会实时规划接下来多个落脚周期的落脚点以及落脚时间，以实现更稳定的行走。

图12  BRUCE“落脚”控制算法设计

3.2.6 基于全身惯性质量分布的“跳跃”设计

BRUCE是世界上为数不多的能够自由跳跃的人形机器人，在跳跃的过程中，根据BRUCE全身的惯性质量分布来调整起跳和落地的姿态，使其能够实现类似于人类的先蹲后跳和下蹲缓冲（图13），同时通过调整上身的角度来补偿转动惯量。而在空中的时候（图14），BRUCE也会根据身体的动量反馈来实时调整自己的落脚点，实现稳定落地。

图13  BRUCE“跳跃”设计

图14  BRUCE“跳跃”空中状态

得益于小巧的身躯，BRUCE的鲁棒性非常强，即便是摔坏了，模块化程度极高的BRUCE维修起来也十分方便，因此通过BRUCE开展人形机器人科研和教育工作将为研究者带来极大的便利。

▍4.结束语

笔者认为，机器人学是一门涵盖广泛科研领域和方向的综合性学科，而人形机器人则可谓其中的“巅峰挑战”，人形机器人的发展远离不了全球科研人员的共同努力。BRUCE从来都不仅仅是某一个实验室的项目、某一个公司的产品，从萌芽开始，它就被定义为一个面向全世界开发者的开放平台（开源项目），希望BRUCE可以陪伴研究者一起尝试各种各样有意思的想法和课题。

随着当下BRUCE的全球热销，已有来自全世界的近百个学校、科研机构和企业的开发者加入BRUCE的开源社区，他们的加入将引领更多富有价值的研究和开发。这一切不仅为开源机器人平台带来崭新篇章，同时也为双足机器人的前景创造了无限可能。我们期待BRUCE帮助全球的广大研究者们挖掘出各种引人入胜的创意和课题，共同推动人形机器人领域蓬勃的成长。

同时，早在2022年，西木科技就开始了新一代全比例高动态通用型人形机器人的研发工作。经过一年的精心努力和不懈打磨，这款全新产品有望在今年年底正式发布，我们预计它将具备高达10~15kg的负载能力并有望实现10m/s的最高移动速度。这款新一代人形机器人在诸多关键领域如全身驱动单元、控制算法、结构轻量化、运动的稳定性和鲁棒性等方面都进行了显著的提升，这些提升将进一步增强其运动性能和环境适应性。笔者相信，西木科技的产品创新和商业化推进不仅将推动人形机器人技术发展的前进，同时也将为人形机器人在各领域的应用带来积极影响和巨大改变。