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人形機器人又稱仿人機器人或類人機器人，指具有人的形態和功能的機器人，具有擬人的肢體、運動與作業技能，以及感知、學習和認知能力。人形機器人建立在多學科基礎之上，綜合運用機械、電氣、材料、傳感、控制和計算機來實現擬人化的功能，環境適應更通用、任務操作更多元、人機交互更親和，是國際公認的機器人技術集大成者，是一個國家科技綜合水平的重要體現。

國際上的人形機器人

1969年，日本早稻田大學研制了世界上第一臺人形機器人。由于人形機器人是機器人技術的集大成者和戰略制高點，美、日、韓、德、意、法、俄等國家紛紛開展了人形機器人研究。目前，技術最為領先且最具代表性的，當屬日本本田研制的ASIMO機器人和美國波士頓動力研制的Atlas 機器人。ASIMO和Atlas在技術路線上是電機驅動和液壓驅動，位置控制和動態力控的典型代表。

2013年，波士頓動力發布了初代Atlas機器人。Atlas由外置電驅動液壓動力系統提供動力，高183cm，全身28個液壓驅動關節，能夠實現碎石路面下的穩定行走。2016年，波士頓動力公布了新一代Atlas機器人，配備了機載液壓動力系統，能夠實現雪地、山地行走，以及倒地后的快速起身，表現出了優異的運動靈活性，同時展現了雙臂協同搬運重物的操作能力；2017年，完成了立定跳躍、跳高、跳轉身和后空翻等動作；2019年，完成了一套高難度體操動作（慢起手倒立、前滾翻、前空翻、原地180°空中轉體、分腿跳、360°空中轉體）；此后，又陸續發布了酷跑、三連跳、全身協調操作任務等新功能。目前，波士頓動力Atlas被公認為運動性能最強的人形機器人。

2022年10月1日，特斯拉發布人形機器人Optimus原型機。Optimus身高約173cm，重約56kg，在汽車工廠可以進行搬運、澆水植物、移動金屬棒。該機器人運用特斯拉最先進的人工智能技術和算力極強的DOJO D1超級計算芯片，共用特斯拉“完全自動駕駛”系統，延續純視覺感知解決方案，具有低成本、強智能、多場景運用、產業化發展等優勢，未來將在家庭和工業等場景開展應用。

日本本田在電機驅動、精密傳動、實時控制、步態規劃、平衡控制等方面取得了系列突破，于2000年基于仿人機器人P2推出ASIMO機器人。ASIMO身高130cm，體重48kg（2014年版本），具備智能交互和靈活行走等功能，手部可完成端茶、擰瓶、倒水等基本動作；腿部具備行走、跑步、單/雙腳跳，以及上下樓梯等能力，最高運動速度9km/h，但對未知不平整地面和未知擾動適應性差。2018年，本田宣布停止繼續開發ASIMO，但仍在組織開發新一代人形機器人。

除上述機器人外，2013年美國國家宇航局開發了人形機器人Valkyrie，身高190cm，重量125kg，全身44個自由度。美國Agility機器人公司先后推出了仿鴕鳥雙足機器人Cassie、仿人機器人Digit和Digit V2。其中，Digit V2改進了前臂，可以抱起18kg的箱子；升級了感知系統，增加了攝像頭和激光雷達，可以實現障礙物檢測和物體拾取、放置。2018年，意大利技術研究院發布了仿人消防機器人WALK-MAN，重量102kg，頭部配有3D雷達、麥克風、相機等傳感器，可以走進大樓、找到起火點并取出滅火器，并將現場狀況回傳給操作員。德國慕尼黑工業大學開發了仿人機器人LOLA，身高180cm，重量55kg，全身25個自由度，最快步行速度5km/h，通過頭部傳感器可實現避障等功能。法國PAL Robotics公司先后推出了REEM-C和TALOS兩款商用仿人機器人。其中，REEM-C身高160cm，重量80kg，全身44個自由度，行走速度2.5km/h，具備操作、導航與人機交互功能；TALOS為面向工業應用設計的仿人機器人，身高175cm，重量90kg,行走速度3km/h，可適應不平整路面和臺階，能完成鉆孔和擰螺絲等任務。2001年起，韓國先進技術研究院KAIST開發了一系列仿人機器人，包括KHR-0/1/2/3、HUBO、HUBO2 Plus和DRC-HUBO等。其中，DRC-HUBO機器人身高170ccm，重量80kg，全身32個自由度，采用輪腿混合行走機構，能夠根據不同環境選擇不同的移動方式，可以適應碎石塊和斜坡等路面。

綜上所述，國際上人形機器人隊伍中，第一梯隊是以美國為首的波士頓動力和特斯拉，在運動能力和智能作業上均具有較強的技術儲備和展示能力；第二梯隊是日韓和歐洲機器人，雖然不適用于野外復雜路面，但手眼協調操作性強，可直接使用人造工具，具有較強的智能作業和精細作業能力；第三梯隊是以室內平整路面為主的機器人，無法適應戶外不平整路面，離真實應用仍有差距。

國內的人形機器人

20世紀90年代，我國開始了人形機器人研究。在國家“863”計劃、國家自然科學基金，以及其他部門及地方的資助下，國防科技大學、哈爾濱工業大學、清華大學、北京理工大學、浙江大學、中國科學院自動化所等多家單位取得了豐碩的研究成果，培養了大量科研團隊與技術人員。

國防科技大學早在1987年就開始了步行機器人系統與技術領域的研究工作，是國內首個開展雙足步行機器人研究的高校。1990年，其公布的雙足步行機器人樣機能實現0.36km/h的靜態行走。1999年，發布了中國第一臺能夠實現靜態和動態行走的類人型雙足機器人“先行者”。2003年，公布了Blackman步行機器人，最大動態行走速度可達1.08km/h。2010年，在國家“863”計劃支持下，研制了步行機器人Blackman-Ⅱ，實現了仿人雙足機器人自主打乒乓球。2011年，成功開發了步行機器人Blackman-Ⅲ。2021年，研究了液壓驅動雙足機器人的軌跡規劃和運動控制技術，機器人最大前進速度達到2.5m/s。

哈爾濱工業大學機器人研究所是國家級機器人實驗室，具有多名院士和眾多杰出領軍科研人才，實力雄厚。其人形機器人系統HIT WLR樣機系統已經完成多次迭代，采用輪腿復合方式，以液壓驅動為主，重80kg，高1.7m，具有輪式快速移動特點，最高速度超過15km/h,腿式跳躍過障0.5m，并具備通過斜坡、起伏地形和搬運能力，具有自主定位、建模和導航功能。此外，還研制了類Atlas的液壓驅動雙足機器人HIT Humanoid，重量60kg，身高1.6m，擁有21個自由度，目前該機器人已完成樣機的研制。

北京理工大學自2001年開始機器人研究，成功研制了7代人形機器人。2002年，研制出了國內第一個無纜行走機器人，能進行太極拳、刀術表演；2010年，機器人實現了乒乓球對打；2016年起，機器人實現了摔、滾、走、爬、跳、攀等多模態運動能力，實現了具有國際首創的摔倒保護、翻滾、行走、爬行等多模態運動及轉換。目前，已實現6km/h的跑步速度，跳高0.5m，前跳1m，實現了前滾翻、站立摔倒，并重新站起等功能，在機器人運動、作業、視覺識別、智能決策等關鍵技術方面，均取得重要進展，正朝著更高的技術指標和實際應用方向邁進。

浙江大學自2006年起開始研制人形機器人，突破了自適應精確建模、動態平衡控制、全身協調控制、智能感知決策等核心技術，先后完成四代“悟空”系列人形機器人系統研制。一代“悟空”人形機器人突破了手足眼融合技術，實現了人-機、機-機對打乒乓球，在國際上形成了較大影響。四代“悟空”人形機器人最快運動速度超過6km/h，跳高0.5m，可上下25度斜坡和10cm臺階，可適應室外路面、草叢、泥地等多種地形。在鋼管路面和外部推力干擾等未知擾動下，可快速恢復平衡并保持穩定行走。通過融合腿足運動技術與環境感知技術，實現了機器人的三維環境地圖構建和自主動態導航。目前，浙江大學研制的人形機器人正朝著實用化應用方向不斷迭代和改進。

此外，優必選科技有限公司、小米公司等也推出了人形機器人產品，消費級和商用級人形機器人正逐漸走向商用化。

綜上，國內仿人機器人研究的主要力量來自高校、研究機構和高科技公司，培育了多個研究團隊和技術人才，在基礎器件、新材料與新結構、控制理論、識別算法、智能理論等方面已經取得重要進展，研制了多種人形機器人樣機，總體技術水平已基本達到了國際先進。通過扶持加大投入力度，合理布局與重點投入，我國人形機器人有望率先應用于真實場景，占據市場先機。

關鍵技術和趨勢

雖然人形機器人技術已經取得顯著進展，但在機器人的本體能力、運動能力和智能能力方面仍面臨著重要的技術挑戰。這些挑戰需要被克服，以進一步提升人形機器人的性能和功能。

機器人本體能力

人形機器人本體是人形機器人實現高速、高靈巧、高爆發運動的基礎，主要技術包括高爆發大力矩驅動、低損耗高精度傳動、高集成靈巧結構設計、高能量密度電池技術等。國外具有代表性的研究機構為美國波士頓動力和特斯拉，前者采用高爆發液壓伺服技術，更注重“力量”；后者采用高扭矩密度電機伺服技術，更注重“智能”。國內與國外主要技術差距為高爆發大力矩驅動技術，液壓人形機器人采用全無油管化設計、關節走油設計、增材制造技術，已經實現動力自主，在功率密度與輸出流量、壓力指標方面與國外先進水平差距正逐漸縮小；電驅動人形機器人在電機伺服技術上與美國差異相對較小，在電驅機器人快速迭代方面跟國際上差異不大，且在價格成本上更有優勢，運動體能上可以滿足日常應用的需求。

機器人運動能力

人形機器人運動能力是人形機器人實現高動態運動和作業的關鍵，主要包括動態變構型精確建模、高自由度復雜運動規劃、未知擾動平衡控制等技術。美國在人形機器人的運動控制技術上走在世界前列，其高校和研究機構開展了大量研究，具有大量技術儲備，為人形機器人的產業化提供了技術支撐和人才儲備。波士頓動力的人形機器人運動能力不斷進化，距離真實應用的距離將逐漸縮短；特斯拉公司公布了人形機器人結構設計、關節驅動和運動控制的概況，通過人工智能算法驅動人形機器人產品的技術發展。目前，國內仿人機器人仍處在運動控制技術突破階段，已取得較大進展，在運動控制上跟國際領先團隊的差距總體在逐漸縮小。

機器人智能能力

從智能作業來看，利用視覺等傳感器實現環境感知并決策運動，是人形機器人進一步應用面臨的重要問題。與一般機器人相比，人形機器人的高自由度和高不穩定性，為其感知、決策、規劃，以及計算設備帶來了新的挑戰。與ASIMO基于視覺感知擰杯、端茶等智能作業相比，2011年浙江大學的乒乓球對打仿人機器人展現出對快速運動物體實時準確感知預測決策的能力，以及手臂快速運動下的平衡控制能力，受到國際廣泛關注。埃隆·馬斯克所發布的Optimus人形機器人信息也強調的是芯片算力和智能算法，只提及了機器人的基本身高與步行速度等基礎信息，卻用了大篇幅內容介紹了智能芯片和智能操作。可以預測，馬斯克的用意是設計出“類人的大腦”，結合“類人的形態”，執行“類人的作業”。因此，融合眼-手-足，結合智能芯片、智能算法，構建形成類人“超級大腦”，形成機器人元宇宙，有可能成為未來技術的發展趨勢。

典型應用場景

人形機器人具有強大的環境適應能力、擬人化工作能力和親近感，可以廣泛應用于工業生產、社會服務、救援救災等領域。人形機器人的出現意味著可以取代人類從事危險、重復和乏味的工作，成為一種多任務通用型機器人。人形機器人技術的突破將帶來大規模應用，有望解決未來社會勞動力短缺的難題，并對經濟和社會發展帶來顛覆性的影響。

在工業生產和社會服務領域，人形機器人成為重要的勞動力。隨著二十一世紀人口老齡化程度加深，發展人形機器人可以彌補勞動力嚴重不足的問題。一旦人形機器人得到廣泛應用，勞動力短缺問題將有可能徹底解決。人形機器人可以在工業生產現場進行移動式作業，并適應以人為中心建造的辦公和家居環境，給人們帶來更親近的感覺。在辦公輔助、商業服務、家務作業、居家照料老人等領域，人形機器人將發揮重要的作用。

此外，在救援救災和國家重大工程等領域，人形機器人也將扮演不可替代的角色。人形機器人適合用于危險任務的無人化替代。在實際的災害場景中，救援任務常常具有急迫性且各不相同，傳統的特種裝備往往難以勝任，需要消防員親自執行。而人形機器人則能直接利用消防員使用的多種裝備來執行救援任務。此外，在空間站等國家重大工程中應用人形機器人，可以替代人類宇航員長期駐守空間站或進行太空探索任務。

結束語

人形機器人技術的發展和廣泛應用，展現了機器人和人工智能領域的巨大潛力。通過模擬人類的外觀和行為，人形機器人已經在教育、娛樂、服務等多個領域取得了重要進展。然而，人形機器人技術仍面臨重要挑戰。此外，持續的研究和討論對于推動人形機器人技術的發展至關重要。只有通過共同努力，我們才能更好地利用人形機器人的潛力，為人類社會帶來更多的便利和福祉。人形機器人將成為我們未來生活的重要伙伴，引領人類與技術的共同發展，通過充分發揮人形機器人的潛力，構建一個更加智能和人性化的未來，推動社會的進步與發展。