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摘 要:本文通過對(duì)人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了較為全面的分析，指出目前人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制 存在的突出技術(shù)問題，并提出了一些解決方案和思路，最后對(duì)未來人形機(jī)器人發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 人形機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
人形機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)重要的技術(shù)分支，涉及到機(jī)器人的多個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)以及這些技術(shù)的集成和融合。從系統(tǒng)角度看，人形機(jī)器人是一個(gè)高自由度的復(fù)雜控制系統(tǒng)。其制造、設(shè)計(jì)、建模和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃都涉及到許多技術(shù)問題，如驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)、感知與決策的融合，以及軟硬件的有效結(jié)合等。從運(yùn)動(dòng)的角度看，人形機(jī)器人是以腳為支撐點(diǎn)與地面進(jìn)行間斷性接觸的。它的腳與地面接觸的空間很小，時(shí)間也很短，這導(dǎo)致了穩(wěn)定控制的時(shí)空域非常有限。同時(shí)人形機(jī)器人面臨建模的不準(zhǔn)確性、地面的不平整性以及作業(yè)過程中各種位置干擾等問題。由于其本質(zhì)上不穩(wěn)定，從而在應(yīng)用中面臨著許多困難。上世紀(jì)60年代到本世紀(jì)2015年，學(xué)術(shù)界主要關(guān)注的問題都是圍繞如何設(shè)計(jì)制造具有穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)能力的人形機(jī)器人展開研究。隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的逐步解決，我們目前的焦點(diǎn)已經(jīng)擴(kuò)展至如何將人形機(jī)器人應(yīng)用于多樣化的場(chǎng)景中，并能夠適應(yīng)各種特定需求，另外，還需要具備通用性，能夠在這種形態(tài)下執(zhí)行各種任務(wù)?？傊?，人形機(jī)器人給機(jī)器人技術(shù)的各個(gè)方面都帶來了新的挑戰(zhàn)，并推動(dòng)了從電機(jī)、高精度減速傳動(dòng)到氣動(dòng)、液壓部件及其控制系統(tǒng)等相關(guān)零部件技術(shù)的快速發(fā)展。
第一臺(tái)人形機(jī)器人誕生于1969年。2000年，本田公司采用了直流電機(jī)和諧波減速器等關(guān)鍵技術(shù)，推出了ASIMO人形機(jī)器人，能夠以每小時(shí)1.6公里的速度行走。2009年起，美國波士頓動(dòng)力公司開始致力于滿足美軍的需求，并在福島核電站事故后開始研究高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的人形機(jī)器人，以便執(zhí)行特種任務(wù)。在2022年特斯拉發(fā)布人形機(jī)器人，馬斯克關(guān)于人形機(jī)器人方面的一系列的規(guī)劃、布局，引起了世界的廣泛關(guān)注。
近幾年，中國人形機(jī)器人也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。多個(gè)大學(xué)與科研機(jī)構(gòu)投入大量人力物力研究，取得了好多令人矚目的成績(jī)。宇樹科技作為國內(nèi)領(lǐng)先的人形機(jī)器人企業(yè)之一，其推出的Unitree G1人形機(jī)器人備受關(guān)注。該產(chǎn)品采用了先進(jìn)的傳感器技術(shù)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案，具備出色的靈活性和穩(wěn)定性。同時(shí)，Unitree G1還具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景和可擴(kuò)展性，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。深圳眾擎機(jī)器人科技有限公司2025年2月成功實(shí)現(xiàn)會(huì)前空翻特技的人形機(jī)器人，這一突破性成果在社交媒體引發(fā)廣泛關(guān)注。首屆世界人型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)會(huì)于2025年8月19日在北京冬奧會(huì)會(huì)場(chǎng)舉行，來自全球500多臺(tái)機(jī)器人參與，涵蓋踢拳、足球等26個(gè)項(xiàng)目，中國團(tuán)隊(duì)在26個(gè)項(xiàng)目中奪冠20項(xiàng)，技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著。當(dāng)然我們?cè)诳吹匠煽?jī)的同時(shí)，也要看到現(xiàn)有人形機(jī)器人的不足之處，如動(dòng)作笨拙、走路不夠連貫。尤其是上下臺(tái)階對(duì)高度判斷不夠準(zhǔn)確，存在掛腳現(xiàn)象。在跑步過程中，關(guān)節(jié)電機(jī)過熱。還有內(nèi)部接插件連接性不好，頻繁出現(xiàn)故障，使得整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行效率偏低，電池續(xù)航時(shí)間不足等。人形機(jī)器人要達(dá)到能夠與真人相比美的程度，設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)上還有很長(zhǎng)的路要走。

2 人形機(jī)器人快速發(fā)展過程中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
人形機(jī)器人核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)主要集中在關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與智能控制系統(tǒng)兩個(gè)方面。本文重點(diǎn)探討關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)路線分為線性關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩種技術(shù)路線。人形機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和線性關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用場(chǎng)景上存在顯著差異。
2.1 運(yùn)動(dòng)方式
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速器（如諧波減速器或行星減速器），將高速小扭矩運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為低速大扭矩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，適用于肩、肘、髖、膝等需大角度轉(zhuǎn)動(dòng)的部位，支持360度旋轉(zhuǎn)。線性關(guān)節(jié)則通過滾柱絲杠、行星滾柱絲杠或梯形絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)，主要分布于腿部、手臂等需要高負(fù)載支撐或直線推拉的關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的伸縮、推拉動(dòng)作。

2.2 結(jié)構(gòu)組成
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以電機(jī)+減速器為核心，搭配力矩傳感器、編碼器等部件，結(jié)構(gòu)緊湊；線性關(guān)節(jié)則需集成滾柱絲杠、無框力矩電機(jī)及高精度傳感器，體積相對(duì)較大，但承載力更強(qiáng)。例如，特斯拉Optimus的線性關(guān)節(jié)采用行星滾柱絲杠方案，可提供更大推力并具備自鎖功能。
2.3 應(yīng)用場(chǎng)景
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)適配高爆發(fā)、靈活性需求高的場(chǎng)景，如手臂揮動(dòng)、轉(zhuǎn)身；線性關(guān)節(jié)則面向高承載、高精度需求，如腿部支撐、跳躍、搬運(yùn)等。通過反置式行星滾柱絲杠實(shí)現(xiàn)微米級(jí)控制，反應(yīng)速度達(dá)0.5毫秒以內(nèi)，適用于高負(fù)載運(yùn)動(dòng)控制。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與線性關(guān)節(jié)兩種技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。
從表1可以看出，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與線性關(guān)節(jié)各自存在明確的優(yōu)缺點(diǎn)，單純的旋轉(zhuǎn)或直線關(guān)節(jié)難以滿足復(fù)雜的工作場(chǎng)景，這就催生了混合關(guān)節(jié)模組的創(chuàng)新發(fā)展，通過將旋轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有機(jī)整合實(shí)現(xiàn)了更靈活的運(yùn)動(dòng)方式。這種技術(shù)融合不僅體現(xiàn)在傳動(dòng)方式上，更體現(xiàn)在材料科學(xué)、控制算法等多個(gè)層面的創(chuàng)新：新型復(fù)合材料的使用減輕了關(guān)節(jié)重量同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；智能控制算法的引入使關(guān)節(jié)能夠根據(jù)負(fù)載情況自動(dòng)調(diào)整參數(shù)；集成化設(shè)計(jì)則將傳感器、驅(qū)動(dòng)器和控制器高度集成，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可靠性。

3 人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在的技術(shù)問題
3.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)零速效率問題
無論什么電機(jī)，電機(jī)運(yùn)行效率與轉(zhuǎn)速息息相關(guān)。電機(jī)從額定轉(zhuǎn)速到零速，效率會(huì)越來越低，在零速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械功率為零，此時(shí)系統(tǒng)效率也為零。但是零速時(shí)電機(jī)仍需克服空載電流導(dǎo)致的銅損和鐵損。假如讓人形機(jī)器人的某一部分關(guān)節(jié)保持固定的姿態(tài)負(fù)重，如人形機(jī)器人在站立狀態(tài)下，保持張開雙臂的姿態(tài)不動(dòng)，或者讓人形機(jī)器人保持一個(gè)扎馬步的動(dòng)作不動(dòng)，時(shí)間長(zhǎng)了，電機(jī)與電機(jī)控制器都會(huì)過熱。

3.2 電機(jī)與電機(jī)控制器的散熱問題
一個(gè)人形機(jī)器人身上在包含靈巧手的情況下，有近50臺(tái)電機(jī)及其控制系統(tǒng)，所有電機(jī)系統(tǒng)在比如跑步等高復(fù)合強(qiáng)度工作時(shí)，發(fā)熱非常厲害，如何保證有效散熱，確保電機(jī)及其控制系統(tǒng)能夠工作在合理的溫度范圍，將是一個(gè)重大課題。目前人形機(jī)器人，為了減低重量，多采用輕型復(fù)合材料，導(dǎo)熱性能普遍較差，凸顯了散熱問題的重要性。在人形機(jī)器人馬拉松比賽中，人在機(jī)器人后邊奔跑為機(jī)器人扇風(fēng)或者噴水冷卻，就是人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)散熱不良問題的具體體現(xiàn)。

3.3 接插件繁多接觸不良導(dǎo)致的可靠性問題
人形機(jī)器人用電機(jī)及其控制系統(tǒng)均屬于高精度位置伺服控制系統(tǒng)。電池兩根線接入電機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)逆變?yōu)槿嗯c電機(jī)相連，電機(jī)需要電流、位置、溫度傳感器與控制器相連。另外，對(duì)于采用諧波減速器等輸出扭矩不好間接計(jì)算的系統(tǒng)，還需要安裝扭矩傳感器與控制器相連。同時(shí)，電機(jī)控制器還需要通過通信線與整個(gè)機(jī)器人的域控網(wǎng)絡(luò)連接。由于電機(jī)系統(tǒng)數(shù)量太多，走線只能夠從電機(jī)中心穿過。如果設(shè)計(jì)機(jī)械抱閘，還需要抱閘線圈控制線與控制器相連。由于電機(jī)功率小，直徑小，控制器PCB面積也同比縮小，導(dǎo)致只能選夠類似手機(jī)內(nèi)部采用的小型接插件。這些接插件，在人形機(jī)器人快速運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)，引起接插件松動(dòng)或者接觸不良，輕則導(dǎo)致機(jī)器人功能異常，重則導(dǎo)致機(jī)器人局部癱瘓或者整體癱瘓。
3.4 采用諧波減速器的問題
諧波減速器由波發(fā)生器、柔輪和剛輪三個(gè)核心組件構(gòu)成。波發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)引發(fā)柔輪周期性彈性變形，使其與剛輪嚙合并傳遞運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)減速。諧波減速器減速原理如圖1所示，在0°時(shí)，柔輪波發(fā)生器彎曲成橢圓狀，因此在長(zhǎng)軸部分，剛輪和柔輪咽合，在短軸部分，則處于完全脫開狀態(tài)；旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，固定剛輪，使波發(fā)生器按照順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，柔輪發(fā)生彈性變形，與剛輪喘合位置順次移動(dòng)；旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，柔輪僅向逆時(shí)針方向移動(dòng)一個(gè)齒；旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，由于柔輪比剛輪小2個(gè)齒，柔輪向逆時(shí)針方向移動(dòng)2個(gè)齒。由于諧波減速器具有傳動(dòng)精度高（回程間隙≤1弧分）、單級(jí)傳動(dòng)比大（50-500）、體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、人形機(jī)器人及航空航天、機(jī)床等領(lǐng)域。
諧波減速器除上述優(yōu)點(diǎn)外，還存在以下的缺點(diǎn)：
（1）材料與工藝要求高：諧波減速器依賴柔輪的彈性變形實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，需高硬度材料和精密加工以維持嚙合精度，制造成本較高 。目前以日本進(jìn)口鋼材為主。
（2） 散熱條件差： 柔輪變形產(chǎn)生的熱量難以快速散發(fā)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行易導(dǎo)致溫度升高，影響性能域可靠性。
（3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大：波發(fā)生器等部件增加轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)起動(dòng)力矩較大，不適合小功率或高動(dòng)態(tài)響應(yīng)場(chǎng)景。
（4）易疲勞損壞：柔輪周期性變形產(chǎn)生交變應(yīng)力，長(zhǎng)期使用易出現(xiàn)疲勞裂紋，降低壽命。尤其在大扭矩快速?zèng)_擊的情況下，壽命會(huì)大幅縮短。
（5）傳動(dòng)比限制：減速比通常需大于60，小減速比會(huì)導(dǎo)致性能浪費(fèi)和壽命縮短
（6） 精度與維護(hù)要求： 需定期維護(hù)（如更換潤(rùn)滑油），且對(duì)安裝精度敏感，錯(cuò)誤安裝可能引發(fā)噪音或損壞 。
（7）輸出扭矩?zé)o法直接通過計(jì)算得到：需要加裝昂貴的扭矩傳感器，既增加了體積重量，又大幅增加了成本。
3.5 電池電量供應(yīng)與續(xù)航不足
目前的人形機(jī)器人的幾十個(gè)電機(jī)系統(tǒng)，由于能耗高，其電量供給是一個(gè)大難題。如果電量少，滿電狀態(tài)只能夠工作幾十分鐘，如果配備更大容量電池，又會(huì)大幅增加機(jī)器人重量，不僅影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，其能耗進(jìn)一步增加，續(xù)航時(shí)間增加不成正比。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，頻繁充電或者更換電池，不僅影響工作效率，也限制了人形機(jī)器人的使用范圍，使其難以長(zhǎng)時(shí)間在工業(yè)、服務(wù)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
3.6 靈巧手問題
靈巧手是人形機(jī)器人設(shè)計(jì)中難度最大的環(huán)節(jié)。主要是由于尺寸小、多大22個(gè)以上的自由度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸小、機(jī)械電子部件復(fù)雜，靈巧手控制不夠靈巧、感知（觸覺、力度）能力差、成本高、壽命短，限制了人形機(jī)器人的大范圍批量應(yīng)用。

4 人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)問題解決方案
4.1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)零速效率問題
只要是采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的情況下，零速運(yùn)行效率均為零。在這種情況下，解決該問題的唯一方法是增加機(jī)械制動(dòng)器與控制單元。在抱閘后，延時(shí)撤銷電機(jī)運(yùn)行指令，電機(jī)與控制器均不會(huì)發(fā)熱。運(yùn)動(dòng)時(shí)，先將關(guān)節(jié)電機(jī)控制器啟動(dòng)，位置伺服控制，然后打開抱閘，做運(yùn)動(dòng)動(dòng)作；動(dòng)作完成后，在零速位置伺服控制情況下，零速延時(shí)后閉合抱閘回路，然后撤銷抱閘指令，然后在撤銷電機(jī)控制器運(yùn)行指令。這樣嚴(yán)格的控制時(shí)序可以保證運(yùn)行-停止-再運(yùn)行時(shí)的連貫性與位置精度。如果采用絲杠、液壓或者氣動(dòng)部件組成的線性關(guān)節(jié)，則不需要制動(dòng)器。
4.2 電機(jī)與電機(jī)控制器的散熱問題
電機(jī)與電機(jī)控制器的散熱需要從減少發(fā)熱與增加散熱能力兩個(gè)方面著手解決。電機(jī)與電機(jī)控制器均為發(fā)熱源，必須從兩方面提升效率。
4.2.1 關(guān)節(jié)電機(jī)效率提升方法
機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)主要包括直流電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、空心杯電機(jī)和無框力矩電機(jī)五大類。每種類型在控制精度、響應(yīng)速度和應(yīng)用場(chǎng)景上各有特點(diǎn)。各種關(guān)節(jié)電機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。
在表2所述旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)中，從電機(jī)原理上講，在大多數(shù)場(chǎng)合均采用三相集中繞組直流無刷電機(jī)。無刷直流電機(jī)提高效率主要從電磁設(shè)計(jì)、控制策略、散熱設(shè)計(jì)及機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多方面入手。在電磁設(shè)計(jì)上，選擇高剩磁、高矯頑力的永磁材料，如釹鐵硼，能產(chǎn)生更強(qiáng)磁場(chǎng)，減少勵(lì)磁損耗。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)繞組匝數(shù)和線徑，根據(jù)電機(jī)額定功率和電壓精確計(jì)算，以達(dá)到最佳電磁性能。低壓大電流電機(jī)，可以采用扁線替代圓線，提升效率?？刂撇呗苑矫?，采用矢量控制算法，將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，實(shí)現(xiàn)扭矩與勵(lì)磁的精確控制，以提高效率。采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制算法則能快速響應(yīng)負(fù)載變化，減少動(dòng)態(tài)能量損耗。此外，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行，如負(fù)載小時(shí)降低電壓和電流，負(fù)載大時(shí)增加，以保證輸出功率。散熱設(shè)計(jì)上，采用高效散熱裝置，能夠有效降低電機(jī)定轉(zhuǎn)子溫度，減少銅損與鐵損。如設(shè)計(jì)散熱鰭片增加散熱面積、合理設(shè)計(jì)散熱風(fēng)道（自然空氣對(duì)流或者強(qiáng)迫風(fēng)扇、液冷換熱）使空氣順暢流通以帶走熱量。機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，減少機(jī)械摩擦損耗，如采用低摩擦系數(shù)的軸承。在保證機(jī)械安全的前提下，轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙最小并在高速旋轉(zhuǎn)情況下，保持均勻，避免附加損耗。上述措施的綜合應(yīng)用，能有效提高無刷直流電機(jī)的運(yùn)行效率。

4.2.2電機(jī)控制器效率提升方法
目前人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)基本采用低壓供電方案，
電機(jī)控制器的效率對(duì)系統(tǒng)效率提升至關(guān)重要。電機(jī)控制器與電機(jī)已經(jīng)可以集成到一起，電機(jī)引線的損耗已經(jīng)很小了，主要提升電機(jī)控制器效率的核心手段只有采用高效的第三代寬禁帶半導(dǎo)體GaN MOS替代傳統(tǒng)的 LV MOS。在低壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景下，傳統(tǒng)硅MOS面臨顯著瓶頸。由于硅MOS自身特性在大電流工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的導(dǎo)通損耗和熱量，同時(shí)需要更高的散熱設(shè)計(jì)成本，直接增加了系統(tǒng)成本，也占用更多PCB面積。此外，硅MOS開關(guān)速度有限，高頻PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)開關(guān)損耗較高，難以滿足高性能電機(jī)的控制需求。與此同時(shí)，硅MOS在高溫和高頻下的性能衰減也限制了其在緊湊型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。死區(qū)時(shí)間與體二極管反向恢復(fù)效應(yīng)帶來的瞬態(tài)電流尖峰和EMI問題，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。采用GaN MOS，有以下幾點(diǎn)好處：
（1）氮化鎵器件的高頻性能直接推動(dòng)了人形機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)中PWM（脈寬調(diào)制）控制精度的提升，能夠顯著降低電流紋波，以滿足對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行毫秒級(jí)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人類人化的的各種動(dòng)態(tài)動(dòng)作控制。
（2）氮化鎵器件的導(dǎo)通電阻Rds(on)比硅基器件低一個(gè)數(shù)量級(jí)，開關(guān)損耗幾乎可以忽略不計(jì)。人形機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中需要應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境，例如搬運(yùn)重物、跨越障礙等場(chǎng)景，這對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)的爆發(fā)功率提出了極高要求。而氮化鎵器件的低開關(guān)損耗特性使其能夠在高頻高功率狀態(tài)下穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。
（3）氮化鎵能夠在較小的空間內(nèi)處理較大的電場(chǎng)，同時(shí)擁有更快的開關(guān)速度，這就使得基于氮化鎵的功率器件可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度輸出。換句話說，就是在相同體積下，氮化鎵器件能夠提供更大的功率，或者在提供相同功率時(shí)，氮化鎵器件的體積可以更小、重量更輕。氮化鎵芯片應(yīng)用于人形機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，控制模塊的體積可以減少30%。對(duì)于人形機(jī)器人而言，這種小型化優(yōu)勢(shì)尤為重要。
（4）氮化鎵材料的禁帶寬度遠(yuǎn)高于硅，使其在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能。研究表明，氮化鎵器件在650°C以上的高溫中仍能正常工作，且其熱導(dǎo)率較高，能夠快速將熱量傳導(dǎo)至散熱系統(tǒng)。氮化鎵器件因低損耗和高熱導(dǎo)率，能夠?qū)崃考性诳煽胤秶鷥?nèi)，從而減少對(duì)主動(dòng)散熱系統(tǒng)的依賴，并可以減小冷卻結(jié)構(gòu)（如風(fēng)扇或散熱片）尺寸，減小了關(guān)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)的體積和重量。
（5）通過軟件根據(jù)負(fù)載電流大小自動(dòng)調(diào)整開關(guān)頻率及開關(guān)速度，保證控制器效率最優(yōu)也是一個(gè)很重要的策略。即輕載時(shí)高開關(guān)頻率、低開關(guān)速度；重載時(shí)低開關(guān)頻率、高開關(guān)速度，以減少開關(guān)損耗，提升控制器運(yùn)行效率。
4.2.3 關(guān)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)散熱方案
人形機(jī)器人的散熱是人形機(jī)器人是否能夠大批量應(yīng)用的一個(gè)最迫切的問題。目前通過自然散熱，效果較差。我們?nèi)伺c許多哺乳動(dòng)物通過皮膚汗腺的蒸發(fā)作用來調(diào)節(jié)體溫。能否通過該原理設(shè)計(jì)一套利用蒸發(fā)作用散熱方案呢？答案是肯定的。美國斯坦福大學(xué)崔屹教授提出了一種用于人工排汗皮膚（i-TRANS）的一體化三維親/疏水設(shè)計(jì)。在普通纖維纖芯材料的基礎(chǔ)上，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）進(jìn)行梯度選擇性表面改性，從而在橫向和縱向上形成親疏水性對(duì)比。在底層親水尼龍6納米纖維的額外幫助下，構(gòu)建的i-TRANS能夠定向輸送“汗液”，而不會(huì)捕獲多余的水分，并在頂部表面實(shí)現(xiàn)均勻的汗滴“分泌”，很好地模擬了人類皮膚排汗的情況，如圖2所示。這種模擬不僅為復(fù)制皮膚特性提供了新的見解，而且為出汗相關(guān)研究提供了合適的體外測(cè)試平臺(tái)，極大地避免了來自“皮膚”層的不必要干擾。此外，便捷、快速和經(jīng)濟(jì)的制備方法和廣泛的用途，可進(jìn)一步促進(jìn)其應(yīng)用。
香港城市大學(xué)吳偉教授團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》期刊上發(fā)布了一項(xiàng)題為《Mammal-Skin-Inspired Adaptive Nanocomposites Cooling Membrane for Passive Battery Thermal Management》研究成果，提出了一種模仿哺乳動(dòng)物散熱機(jī)制的自適應(yīng)散熱膜。研究團(tuán)隊(duì)使用了石墨烯薄膜作為防腐層，并通過涂覆石墨烯的銅框架進(jìn)一步增強(qiáng)傳熱性能，同時(shí)防止因重力作用引起的吸濕溶液分布不均。該散熱膜的工作原理如圖3所示：在高溫條件下， LiCl/GO@ ACF復(fù)合材料中的水分蒸發(fā)，從而降低溫度（即解吸-冷卻過程）；而當(dāng)溫度較低時(shí)，散熱膜會(huì)吸收周圍的水分恢復(fù)冷卻能力（即吸濕-再生過程）。多孔聚四氟乙烯（PTFE）用于封裝吸濕性材料，其可有效防止溶液泄漏并隔離灰塵，同時(shí)允許水蒸氣透過，確保持續(xù)有效的熱管理。

4.3 減少接插件的一些技術(shù)方案
在體積非常狹小的情況下，眾多的接插件，帶來系統(tǒng)可靠性的大幅下降，尤其是在高幅值振動(dòng)環(huán)境下。如何減少或者不用接插件，是關(guān)節(jié)電機(jī)及其控制系統(tǒng)的重要研究課題。
（1）關(guān)節(jié)電機(jī)控制器直流供電輸入
關(guān)節(jié)電機(jī)控制器直流供電輸入為了安裝方便， 一般采用端子。大多關(guān)節(jié)電機(jī)電機(jī)軸中間都挖成空心的，用于走線束。這個(gè)端子電流動(dòng)態(tài)變化率比較大，存在接觸不良時(shí)容易發(fā)熱碳化問題。建議采用取消插座，引線通過PCB焊接，然后通過局域性的直流接線盒來實(shí)現(xiàn)連接。

（2）關(guān)節(jié)電機(jī)與電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)連接
關(guān)節(jié)電機(jī)電機(jī)控制器都基本與電機(jī)高度集成，電機(jī)控制器一般采用圓形PCB來實(shí)現(xiàn)，因此，電機(jī)三相線一般通過焊接實(shí)現(xiàn)連接，不需要接插件。
（3）關(guān)節(jié)電機(jī)控制器電機(jī)電流檢測(cè)
關(guān)節(jié)電機(jī)電機(jī)控制器對(duì)電機(jī)電流檢測(cè)，建議采用高邊或者低邊電流間接檢測(cè)方案或者PCB式的Hall傳感器、線性放大器等來實(shí)現(xiàn)，避免采用輸出Hall進(jìn)行檢測(cè)，就可以避免采用接插件連接。

（4）關(guān)節(jié)電機(jī)速度或者位置傳感器與電機(jī)控制器連接
一般電機(jī)速度或者位置傳感器采用光電編碼器或者磁電編碼器，編碼器中又有增量式與絕對(duì)值式兩種。如果采用獨(dú)立的編碼器，其與電機(jī)控制器連接就必須采用接插件，大幅降低了系統(tǒng)的可靠性。建議采用接收部件直接焊接在電機(jī)控制器PCB上，激勵(lì)部件直接安裝在電機(jī)軸上，可以取消接插件，提高可靠性，但是必須確保運(yùn)動(dòng)部件與PCB安裝的距離，確保信號(hào)感應(yīng)的可靠性。常見的磁電式位置傳感器、光電式傳感器、電渦流傳感器等均可實(shí)現(xiàn)。
（5）關(guān)節(jié)電機(jī)溫度傳感器與電機(jī)控制器連接
電機(jī)溫度傳感器是確保電機(jī)安全的主要保護(hù)器件。常用的Pt系列或者NTC/PTC系列溫度傳感器通過埋入電機(jī)繞組來檢測(cè)。如果采用此類傳感器，就必須用引線方式，并通過插座來與電機(jī)控制器連接。取消插座的方法有：在PCB上安裝紅外傳感器的方法，直接檢測(cè)電機(jī)定子端部溫度；PCB上安裝Hall傳感器，在電機(jī)端部安裝永磁體，通過檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化來檢測(cè)電機(jī)定子溫度。
（6）關(guān)節(jié)電機(jī)控制器溫度傳感器與電機(jī)控制器連接
關(guān)節(jié)電機(jī)控制器一般采用功率管直接焊接在PCB上來實(shí)現(xiàn)，對(duì)功率管的溫度檢測(cè)可以在其附近表面貼裝NTC/PTC系列溫度傳感器，直接通過CPU檢測(cè)溫度即可。
（7）關(guān)節(jié)電機(jī)控制器控制信號(hào)
人形機(jī)器人身上有近60臺(tái)電機(jī)及配套的電機(jī)控制器，而這些電機(jī)控制器通過運(yùn)動(dòng)控制器通過現(xiàn)場(chǎng)總線或者CAN總線等進(jìn)行聯(lián)合控制。這些接線是最多的，也是最容易因?yàn)榻佑|不良引起控制失靈。如果采用無線通信技術(shù)，可靠性與EMC干擾問題無法解決。一種最可行的方案是采用低壓直流載波通信技術(shù)，將電機(jī)控制器電源供電與通信控制信號(hào)合二為一，徹底解決可靠性問題。在發(fā)送端，原始信息信號(hào)（如控制指令或數(shù)據(jù)）被調(diào)制到一個(gè)高頻載波信號(hào)上。調(diào)制方式常見于頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）或正交頻分復(fù)用（OFDM）等技術(shù)，使信息“搭載”在載波上形成調(diào)制信號(hào)。這個(gè)高頻調(diào)制信號(hào)通過耦合電路注入直流電力線，由于載波頻率遠(yuǎn)高于直流電的基頻（通常為0Hz），兩者在物理層通過頻率分離實(shí)現(xiàn)共存，互不干擾。信號(hào)沿直流線路傳輸至接收端，經(jīng)耦合電路提取后，通過解調(diào)器還原出原始信息。

4.4 采用諧波減速器可靠性提升
電機(jī)+諧波減速器是目前旋轉(zhuǎn)電機(jī)關(guān)節(jié)方案最主要的技術(shù)方案之一。但是由于諧波減速器固有的可靠性問題，將極大制約旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)的批量應(yīng)用。如何提升諧波減速器可靠性是一個(gè)重要的研究課題。諧波減速器的可靠性提升涉及多個(gè)層面的優(yōu)化，包括設(shè)計(jì)、材料、制造工藝、測(cè)試驗(yàn)證以及智能化管理。
（1）材料與工藝優(yōu)化
通過精密加工工藝和材料選擇提升關(guān)鍵零部件的精度與一致性，強(qiáng)化熱處理及表面處理工藝以提高耐磨性和抗疲勞性能。合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如波紋式或楔式結(jié)構(gòu)）并簡(jiǎn)化維護(hù)需求，減少故障點(diǎn)。
（2）潤(rùn)滑與熱管理
優(yōu)化潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)負(fù)載特性和環(huán)境條件選擇合適的潤(rùn)滑方式與潤(rùn)滑劑，并定期維護(hù)以減少摩擦損耗。同時(shí)，采用高效熱管理技術(shù)控制溫升，避免因過熱導(dǎo)致性能下降。
（3）智能監(jiān)控與預(yù)測(cè)性控制與維護(hù)
在動(dòng)態(tài)加減速過程中，采用預(yù)測(cè)扭矩控制算法，減少對(duì)柔輪的沖擊，提高可靠性與壽命；采用數(shù)字孿生技術(shù)、集成智能算法如基于人工智能和大數(shù)據(jù)分析，對(duì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波減速器狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障預(yù)警和壽命預(yù)測(cè)。這有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)并優(yōu)化維護(hù)策略。
（4）可靠性設(shè)計(jì)與評(píng)估
在設(shè)計(jì)階段充分考慮使用環(huán)境（如溫度、濕度、粉塵）、負(fù)載特性（大小、變化范圍、工作周期），并通過可靠性分析方法預(yù)測(cè)工況下的壽命和故障率。測(cè)試后對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估并迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)。一個(gè)有效策略是內(nèi)部集成扭矩檢測(cè)單元，確保輸出扭矩任何時(shí)候不超過機(jī)械破壞應(yīng)力最大值。另外機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)場(chǎng)處于零速定位狀態(tài)，柔輪長(zhǎng)時(shí)間變形易出現(xiàn)疲勞裂紋，降低壽命。另外一個(gè)提高可靠性的方法是內(nèi)置機(jī)械抱閘機(jī)構(gòu)，確保零速減速機(jī)構(gòu)不承受機(jī)械應(yīng)力。
（5）壽命測(cè)試方法
建立全面的壽命測(cè)試體系，包括疲勞壽命測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試，通過模擬實(shí)際工作負(fù)載和環(huán)境條件獲取性能數(shù)據(jù)。同時(shí)，引入無損檢測(cè)技術(shù)（如超聲波檢測(cè)、磁粉檢測(cè)）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部狀態(tài)變化，為預(yù)測(cè)性維護(hù)提供依據(jù)。
總之，諧波減速器未來發(fā)展趨勢(shì)是高精度（微米級(jí)）、長(zhǎng)壽命（如從1萬小時(shí)到10萬小時(shí)、定制化解決方案，同時(shí)通過供應(yīng)鏈整合和環(huán)保材料應(yīng)用進(jìn)一步提升整體可靠性，并持續(xù)降低制造成本。未來可能替代諧波減速器的是行星滾柱絲杠，如圖4所示，主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）高承載能力：通過多滾柱與絲杠的線接觸，負(fù)載能力比同規(guī)格滾珠絲杠高3-10倍：

（2）緊湊設(shè)計(jì)：相同負(fù)載下體積比滾珠絲杠小1/3，適合空間受限場(chǎng)景；（3）高精度：采用非圓弧螺紋和并聯(lián)誤差補(bǔ)償，精度可達(dá)±5微米；（4）自鎖性：無需額外供電即可保持負(fù)載，適合機(jī)器人關(guān)節(jié)等應(yīng)用；（5）
耐惡劣環(huán)境：對(duì)低溫、粉塵、化學(xué)沉積適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)然行星滾柱絲杠也有技術(shù)壁壘高、加工成本高、傳動(dòng)效率略低、噪音大的缺點(diǎn)。
4.5 電池電量供應(yīng)與續(xù)航不足問題根源與解決方案
宇樹科技G1人形機(jī)器人身高約130cm，體重約35kg，配備3D激光雷達(dá)和深度攝像頭，電池續(xù)航約為2小時(shí)，移動(dòng)速度約為2米/秒。而登上2025年央視春晚的H1人形機(jī)器人，高約180cm，體重約47kg，移動(dòng)速度達(dá)3.3m/s，潛在運(yùn)動(dòng)性能5m/s，其配備最大電壓67.2V/15Ah（0.864KW. h）電池。相比之下，特斯拉Optimus Gen-2高1.72米，重57kg，負(fù)載20kg（手臂附加5kg），行動(dòng)速度最高可達(dá)8公里/小時(shí)（2.22米/秒），其配備2.3 KW.h/52伏電池包?？梢钥闯?，H1人形機(jī)器人比特斯拉人形機(jī)器人更輕、更快，但電池包相對(duì)小得多?，F(xiàn)在市面上很多人形機(jī)器人用不到半小時(shí)就沒電了，電池是最大的短板。兩足人形機(jī)器人一方面移動(dòng)速度較慢，另一方面也很耗能。根本原因是系統(tǒng)效率低、能耗太高及電池能量密度低導(dǎo)致。正常人體熱量消耗主要由基礎(chǔ)代謝率、食物熱效應(yīng)和體力活動(dòng)三部分組成。維持生命活動(dòng)所需的最低能量即基礎(chǔ)代謝率占每日總能量消耗的60-70%。成年男性基礎(chǔ)代謝率約為1500-1800千卡。消化吸收食物時(shí)消耗的能量即食物熱效應(yīng)約占10%。體力活動(dòng)消耗差異最大，輕體力活動(dòng)者每日增加300-500千卡，中體力活動(dòng)者增加500-800千卡，重體力勞動(dòng)者可能超過1000千卡。按照中體力活動(dòng)者計(jì)算每日的熱量消耗在2000-2860千卡，相當(dāng)于2.32~3.32度的電力消耗。配備2.3度電的特斯拉Optimus Gen-2的連續(xù)工作時(shí)間在公開演示中記錄為4小時(shí)，與我們?nèi)梭w運(yùn)行效率距還是很大的。要想讓機(jī)器人完全替代人，達(dá)到與人體運(yùn)行效率接近的程度，還有很長(zhǎng)的路要走。要解決人形機(jī)器人電池續(xù)航不足問題，主要從以下幾個(gè)方向：
4.5.1 提高機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率
目前人形機(jī)器人普遍采用的線性關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)電機(jī)系統(tǒng)，盡管已經(jīng)采用高效永磁電機(jī)，效率已經(jīng)比較高了，但是與同樣的人體結(jié)構(gòu)相比，運(yùn)動(dòng)效率還是比較低的。如果想進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率，采用人體仿生學(xué)，采用筋牽拉（腱繩）與局部肌肉（線性收縮）相互作用的運(yùn)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)省力杠桿，運(yùn)動(dòng)效率更高。
針對(duì)這一問題，來自長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)的孫建偉教授研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了深入研究，并于近期取得新突破。該研究團(tuán)隊(duì)受人體腿部骨骼-肌肉系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理啟發(fā)，結(jié)合骨骼的簡(jiǎn)化整合方法以及肌肉等效替換原則，提出了一種基于張拉整體結(jié)構(gòu)的仿生腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過分離滾動(dòng)與滑動(dòng)的設(shè)計(jì)，復(fù)現(xiàn)了人體膝關(guān)節(jié)的可變瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心功能，并展現(xiàn)出在步態(tài)相似性與減振方面的潛力。它綜合了張拉單元的大變形、自恢復(fù)能力與四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)鎖定功能，以及類似人體肌肉系統(tǒng)的纜繩解鎖機(jī)制，可在無膝關(guān)節(jié)電機(jī)的前提下，僅利用足部與地面的接觸便完成膝關(guān)節(jié)順應(yīng)-剛性-順應(yīng)的原位切換。這一創(chuàng)新打破了傳統(tǒng)腿式機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)的依賴，僅需髖關(guān)節(jié)布置的單個(gè)直流電機(jī)與基礎(chǔ)的控制程序，即可流暢完成單腿的完整步態(tài)周期。西安交通大學(xué)西安交通大學(xué)“騰飛人才”特聘教授、博士生導(dǎo)師徐光華團(tuán)隊(duì)以節(jié)肢類生物中的兩類優(yōu)勢(shì)種群生物為研究對(duì)象，包括甲殼類的珍寶蟹和波士頓龍蝦以及昆蟲類的蝗蟲和沫蟬，首次提出一種具有一對(duì)反向共軛面的剛?cè)嵋惑w的外骨骼模型，并將其應(yīng)用于人手外骨骼的設(shè)計(jì)中，通過融合生物關(guān)節(jié)優(yōu)勢(shì)與人體運(yùn)動(dòng)特性，克服了目前手功能損傷患者所用的康復(fù)輔助設(shè)備中普遍存在的體積重量大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動(dòng)效率低、適配性差等缺陷。因此，這種新型仿生關(guān)節(jié)可用于可穿戴式外骨骼康復(fù)機(jī)器人。為了使該關(guān)節(jié)模型同樣適用于工業(yè)，徐光華團(tuán)隊(duì)提出了一種優(yōu)化的節(jié)肢動(dòng)物關(guān)節(jié)模型。具體來說，該模型由一對(duì)具有對(duì)稱性的反向共軛面組成，共軛面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使輸出端產(chǎn)生特定的運(yùn)動(dòng)軌跡。該團(tuán)隊(duì)提出的反向共軛面的關(guān)節(jié)模型，通過對(duì)共軛面的設(shè)計(jì)，使輸出端精確擬合多特征點(diǎn)軌跡，結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，傳動(dòng)效果更加高效，擬合也更精確?？傊?，仿生關(guān)節(jié)外骨骼輕量化、運(yùn)動(dòng)擬合效果好、節(jié)能三大優(yōu)勢(shì)是推動(dòng)人形機(jī)器人關(guān)節(jié)高效化的主要發(fā)展方向。
4.5.2 人形機(jī)器人輕量化
人形機(jī)器人輕量化絕非簡(jiǎn)單的“減重游戲”，而是破解商業(yè)化困局的核心鑰匙。當(dāng)續(xù)航焦慮、運(yùn)動(dòng)遲滯、成本高企成為阻礙人形機(jī)器人落地的三座大山時(shí)，輕量化通過材料革新、結(jié)構(gòu)重構(gòu)與工藝革命，正在打開新的可能性：針對(duì)續(xù)航破局，特斯拉Optimus減重33公斤后，續(xù)航從1.8小時(shí)躍升至4.2小時(shí)，能量效率提升133%。可見人形機(jī)器人輕量化的意義非常重大。
針對(duì)性能躍遷，鎂合金關(guān)節(jié)使埃斯頓機(jī)器人響應(yīng)速度提升5%，能耗降低10%。輕量化金屬之王鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度僅為鋁的2/3，不到鋼的1/4。其優(yōu)勢(shì)除輕量化外，電磁屏蔽性能優(yōu)異，可以有效保護(hù)內(nèi)部精密電子元件；散熱效率高，解決機(jī)器人運(yùn)動(dòng)發(fā)熱痛點(diǎn)；我國鎂礦資源豐富，占全球70%以上儲(chǔ)量，具備成本優(yōu)勢(shì)。鎂鋁合金需要解決表面處理問題。
針對(duì)成本重構(gòu)，特種工程塑料PEEK（聚醚醚酮）材料俗稱“塑料黃金”替代金屬齒輪， 單臺(tái)減速器成本下降30%，重量銳減70%。PEEK成為金字塔尖的材料明星，其性能令人驚嘆：強(qiáng)度是鋁合金的8倍，密度僅為鋁合金的1/2；耐高溫（250℃以上）、耐腐蝕、自潤(rùn)滑；完美適配關(guān)節(jié)、齒輪、軸承等核心部件需求。
4.5.3 電池高功率密度與輕量化
人形機(jī)器人輕量化的第三個(gè)方面就是電池的功率密度持續(xù)提升。目前，鋰離子電池的功率密度通常在250-700W.h/ kg范圍內(nèi)，具體數(shù)值因電池類型和應(yīng)用場(chǎng)景而異。在重點(diǎn)提升電池功率密度的同時(shí)，減小體積同等重要，便于機(jī)器人身體的合理布局。人體的能量基本存儲(chǔ)在腹部肝臟中，如果電池體積足夠小，就可以放置于腹部。另外，采用整體直流共母線結(jié)構(gòu)，采用分布式電池供電，有利于減小電池包重量，合理布局機(jī)器人的重心，減少控制難度與控制功率，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。人形機(jī)器人電池容量可以設(shè)計(jì)成與人工作時(shí)間接近的工況，比如可以連續(xù)工作4小時(shí)，吃飯休息一個(gè)小時(shí)，在休息期間，通過快速充電，徹底解決補(bǔ)能問題，既解決了輕量化，又提高了運(yùn)行效率，徹底解決了實(shí)用化技術(shù)難題。

4.6 靈巧手
人形機(jī)器人是以人的形狀做為仿生設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但是人形機(jī)器人真正能夠替代人、實(shí)現(xiàn)與真人一樣的工作，除四肢、五官、AI大腦外，核心就是靈巧手的設(shè)計(jì)。如果沒有靈巧手，基本上就無法實(shí)現(xiàn)與人相近的自主工作，只能夠用使用特定的裝備干特定的工作，將極大限制人形機(jī)器人的應(yīng)用。由于靈巧手的設(shè)計(jì)難度甚至超過人形機(jī)器人本身，因此建議人形機(jī)器人第一階段是使用特定的裝備干特定的工作，第二階段，等靈巧手技術(shù)成熟后，再向復(fù)雜工況大批量推廣。
靈巧手作為融合精密傳動(dòng)、多模態(tài)感知與智能算法的尖端裝置，正在重新定義人與機(jī)器協(xié)作的邊界。從穿針引線般的精細(xì)微操作，到照料患者時(shí)的溫柔觸碰，靈巧手憑借其卓越的高精度特性與精準(zhǔn)力控能力，賦予了機(jī)器人“感知世界、理解世界、改變世界”的能力。靈巧手的核心結(jié)構(gòu)通常由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大部分構(gòu)成，各部分功能既獨(dú)立又協(xié)同，共同實(shí)現(xiàn)類人抓取、精細(xì)操作等復(fù)雜任務(wù)。其中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供動(dòng)力，用于實(shí)現(xiàn)各手指的運(yùn)動(dòng)；傳動(dòng)系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的動(dòng)力傳遞至手指關(guān)節(jié)，并通過機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整力的方向、大小和運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制，其傳動(dòng)方式多樣，包括連桿傳動(dòng)、齒輪/渦輪蝸桿傳動(dòng)、腱繩傳動(dòng)等；感知系統(tǒng)則通過配置觸覺、力覺等傳感器實(shí)現(xiàn)感知能力；控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理傳感器傳來的各種信息，并根據(jù)預(yù)設(shè)的算法和指令，控制電機(jī)和傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)靈巧手動(dòng)作的精準(zhǔn)控制。
國外方面，F(xiàn)igure AI、特斯拉等人形機(jī)器人本體企業(yè)也在自研靈巧手。其中，F(xiàn)igure AI采用“空心杯電機(jī)+行星減速器+連桿”方案，其第四代靈巧手具備16個(gè)自由度，可抓取25kg物體，并集成了觸覺傳感器，已展示了在家庭收納、工業(yè)分揀等方面的能力。特斯拉Optimus靈巧手從初代11自由度升級(jí)至第三代22自由度。第三代靈巧手采用“行星齒輪箱+行星滾柱絲杠+腱繩”三級(jí)傳動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)高精度與柔性力控；觸覺傳感器覆蓋全手指及手掌，集成電子皮膚支持觸覺、溫度等多模態(tài)感知，配合六維力傳感器形成閉環(huán)控制。其自由度密度接近人手，可完成動(dòng)態(tài)抓?。ㄈ缃泳W(wǎng)球）和復(fù)雜操作（如疊襯衫）。

當(dāng)前，不同廠商在靈巧手的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式、控制算法等方面采用了不同的技術(shù)路線。這種技術(shù)路線的多樣性，雖然在一定程度上促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新，但也導(dǎo)致了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，產(chǎn)品之間的兼容性和互換性較差。例如，在傳動(dòng)系統(tǒng)方面，傳動(dòng)方式多種多樣，包括腱繩傳動(dòng)、蝸輪蝸桿、連桿、齒輪、微型絲桿等；在驅(qū)動(dòng)方式上，靈巧手有電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓、形狀記憶合金以及混合驅(qū)動(dòng)等多種技術(shù)路線，尚未形成共識(shí)。這不僅增加了企業(yè)的研發(fā)成本和市場(chǎng)推廣難度，也給用戶的選擇和使用帶來了不便，不利于整個(gè)行業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。因此，亟需打破靈巧手技術(shù)路線不統(tǒng)一對(duì)行業(yè)發(fā)展的桎梏。
人類的手部有21個(gè)自由度（含手腕為27個(gè)），是人類最為靈活且復(fù)雜的器官之一。當(dāng)前靈巧手技術(shù)雖有進(jìn)步，但與人類手部性能和靈活性仍存在較大差距。而且，在傳感器、力控、材料技術(shù)等方面仍有待突破。以感知系統(tǒng)為例，完成“端起一杯咖啡”這樣的簡(jiǎn)單動(dòng)作，靈巧手需要依靠視覺、觸覺、力覺等多模態(tài)感知系統(tǒng)的協(xié)同配合，精確判斷運(yùn)動(dòng)幅度和施力大小。然而， 目前的動(dòng)態(tài)視頻識(shí)別、傳感器技術(shù)在精度、穩(wěn)定性與響應(yīng)速度，以及多源感知信息融合與處理等方面仍存在不足，難以精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景。力控技術(shù)方面，如何實(shí)現(xiàn)更加精確、穩(wěn)定的力控制，以適應(yīng)不同物體的抓取和操作需求，也是亟待解決的問題。材料技術(shù)方面，靈巧手需要實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)，同時(shí)需兼顧高強(qiáng)度、低質(zhì)量、高耐久性與仿生功能性。
總之，目前的靈巧手，普遍缺乏自主學(xué)習(xí)和自適應(yīng)執(zhí)行能力、應(yīng)用場(chǎng)景適配性受限、成本居高不下、可靠性不足等問題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，與人類手最接近的仿生結(jié)構(gòu)將是最佳結(jié)構(gòu)，如腱繩傳動(dòng)+局部肌肉控制+皮膚感知的綜合解決方案將逐步成為主流技術(shù)路線。

5 人形機(jī)器人未來發(fā)展前景展望
5.1 法律倫理問題
人形機(jī)器人要健康發(fā)展，最關(guān)鍵的問題是要解決法律倫理問題。因?yàn)锳I的發(fā)展，機(jī)器人可以自己學(xué)習(xí)知識(shí)，好的東西可以學(xué)習(xí)，當(dāng)然壞的東西也能學(xué)習(xí)。如何讓機(jī)器人再一個(gè)安全的邊界內(nèi)實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)是必須優(yōu)先考慮的問題。另外，還要確保再人形機(jī)器人失控的情況下，人們能夠采取遠(yuǎn)程斷電、停機(jī)等超級(jí)指令。這些指令是機(jī)器人無法永遠(yuǎn)獲取到的。試想以下，如果人形機(jī)器人可以自我更換電池，自我充電，哪人類可能永遠(yuǎn)無法控制失控的或者被敵人劫持的機(jī)器人，哪將是災(zāi)難性后果。
5.2 功能安全、信息安全
人形機(jī)器人的功能安全與信息安全比智能化汽車更為重要。人形機(jī)器人的功能安全標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了多個(gè)方面，包括機(jī)械安全、電氣安全、交互安全等。機(jī)械安全要確保機(jī)器人的扭矩可控，防止對(duì)人或者工作對(duì)象造成致命傷害；電氣安全是體內(nèi)電池供電電壓超過安全電壓36V時(shí)，對(duì)人體在有水等情況下，造成電氣觸電傷害等；交互安全時(shí)在人機(jī)對(duì)話過程中，不能因?yàn)槿祟愓f話不禮貌、粗俗等導(dǎo)致機(jī)器人不禮貌或者發(fā)怒、發(fā)狂，甚至報(bào)復(fù)的情況發(fā)生。信息安全時(shí)機(jī)器人最核心的內(nèi)容，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與云端安全是關(guān)鍵。用戶數(shù)據(jù)要存儲(chǔ)在公有云，而非企業(yè)自有服務(wù)器，從源頭降低了數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)。另外，數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加密也是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。在遠(yuǎn)程通信中斷的情況下，機(jī)器人根據(jù)本地知識(shí)庫、視覺等傳感器，自我學(xué)習(xí)、自我導(dǎo)航、自主決策，也是一個(gè)非常重要的技術(shù)問題。
5.3 高可靠性、低成本
人形機(jī)器人想要快速發(fā)展，高可靠性、低成本是第一要素。目前人形機(jī)器人成本較高、可靠性低，大多是做為展覽、演示使用。如果做為對(duì)工人的完全替代，還存在成本高、故障率高的特點(diǎn)，投資無法有效產(chǎn)出。因此，開發(fā)能夠完全替代人工，工作可靠性高、穩(wěn)定性好、低成本的人形機(jī)器人是目前最主要的發(fā)展方向。其中低成本高可靠性的靈巧手將是開發(fā)工作中重中之重。
5.4 特定應(yīng)用場(chǎng)景先行應(yīng)用
通過上述對(duì)人性機(jī)器人發(fā)展情況的描述，人形機(jī)器人的發(fā)展還存在很多不如人意的地方。如果等到技術(shù)成熟再應(yīng)用，時(shí)間成本太高；如果盲目大批量應(yīng)用，花錢多、問題多，得不償失。
最好是優(yōu)先開發(fā)特定應(yīng)用場(chǎng)景的人形機(jī)器人，從簡(jiǎn)單的做起，逐步完善、逐步普及。如做展廳人形講解機(jī)器人，對(duì)客人來說非常有科技感，講解內(nèi)容準(zhǔn)確、標(biāo)準(zhǔn)化好；如十字路口交通指揮警察，可以根據(jù)交通路況，智能化控制紅綠燈時(shí)間，并通過標(biāo)準(zhǔn)交通指揮動(dòng)作指揮交通。在流水生產(chǎn)線上，做完整的人形機(jī)器人意義不大，成本高、供電時(shí)長(zhǎng)限制等極大限制了應(yīng)用。由于電池續(xù)航問題，開發(fā)不需要電池、固定工位，采用專用工裝夾具替代人手工作的靈活手臂是第一步；第二步可以采用移動(dòng)工位實(shí)現(xiàn)柔性化管理，減少靈活手臂的用量，降低成本；第三步在靈巧手技術(shù)成熟時(shí)采用靈巧手，大幅減少固定工裝的開發(fā)費(fèi)用，并實(shí)現(xiàn)整條流水線產(chǎn)線無人化。
綜上所述，人形機(jī)器人隨著上述技術(shù)的不斷完善與成本的持續(xù)降低，將逐步取代在各行各業(yè)日益增長(zhǎng)的人力資源是大勢(shì)所趨。