类人机器人 是具有类人身体结构的机器人，通常包括躯干、头部、手臂、手和两条腿。目标不仅仅是让机器人看起来像人。人形设计可以使机器人在围绕人类身体、工具、门、架子、车辆和工作站构建的环境中操作。
最近在人工智能、计算机视觉、传感器、执行器、电池、仿真和机器人软件方面的进展加速了对类人系统的兴趣。公司和研究机构正在测试它们在工业工作、物流、研究、教育、医疗支持和其他环境中的应用。
然而，类人机器人仍然是一个困难的工程问题。可靠的行走、平衡、灵巧操作、安全交互、动力管理、感知和实时决策都必须协同工作。
目录
- 什么是人形机器人？
- 人形机器人的工作原理
- 人形机器人的关键组成部分
- 人工智能与人形机器人
- 人形机器人的应用
- 类人机器人与其他机器人
- 潜在好处
- 挑战与局限性
- 安全和保安
- 类人机器人未来
- 专家建议
- 常见误解
- 常见问题解答
什么是人形机器人？
类人机器人是一种物理设计与人类身体相似的机器，足以支持类人的运动或交互。许多类人机器人使用两条腿、两只手臂、一个躯干、一个头部传感器平台，以及手或夹具。
这种设计可以在已经为人们优化的空间中提供实用优势。能够达到人类高度的架子、使用楼梯、操作熟悉工具并在标准工作区域内移动的机器人，可能比专用机器需要更少的环境改动。
这并不意味着类人形状始终是最佳选择。工业机器人、自治移动机器人、机器人臂、轮式平台和专用机器在特定任务上可以超越类人机器人。合适的机器人取决于工作和环境。
人形机器人的工作原理
1. 感知
相机、深度传感器、惯性测量单元、力传感器、麦克风和其他传感器提供有关机器人及其周围环境的信息。计算机视觉系统可以识别物体、表面、人员、障碍物和位置。
2. 定位与地图创建
机器人需要估计它的位置并理解周围环境。根据系统，这可能涉及同时定位和地图构建、视觉-惯性估计、预构建地图或其他导航技术。
3. 运动规划
软件决定了机器人如何移动其身体、手臂、手和腿，以完成任务，同时避开障碍物并保持稳定。
4. 驱动
电动机、 gearbox、传动装置和其他执行器将控制信号转化为物理运动。执行器必须为机器人预期的任务提供足够的扭矩、速度、精度和可控性。
5. 平衡与控制
行走比让机器人在轮子上移动要困难得多，因为机器人必须持续管理其质心和与地面的接触。传感器和控制算法不断调整运动以保持稳定。
6. 操作
在处理另一个困难问题时，手和手臂的引入使其更为复杂。与操作不规则物体、柔性材料、小组件或需要精确力量的工具相比，拾起一个箱子相对简单。
7. 决策
更高级的软件决定机器人应该做什么，而低级控制系统将这些决策转化为安全的物理运动。越来越多的人工智能模型被用来连接感知、语言、任务规划和行动。
人形机器人的关键组成部分
| 组件 | 目的 | 典型挑战 |
|---|---|---|
| 传感器 | 测量周围环境和机器人状态 | 噪声、遮挡、延迟和传感器融合 |
| 执行器 | 产生物理运动 | 功率、热量、效率、精度和耐用性 |
| 控制系统 | 保持运动和稳定性 | 实时计算和动态环境 |
| 手/抓手 | 操控物体 | 灵活性和可靠的力量控制 |
| 计算硬件 | 运行感知、规划和人工智能 | 性能、功耗和热限制 |
| 电池 | 提供移动电源 | 能量密度、重量、充电和运行时间 |
人工智能与人形机器人
人工智能正在成为类人机器人中的一个重要部分，因为许多现实世界的任务无法完全通过固定规则来描述。AI可以帮助机器人识别物体、理解语言、估计动作、从示范中学习，并在环境的变化中进行概括。
视觉-语言-行动模型是一个特别重要的研究方向。这些系统试图将视觉观察和语言指令与物理动作连接起来。开发者可以训练或配置系统，将情境和目标与适当的行为关联，而不是单独编程每个动作。
机器学习也用于仿真和控制。机器人可以在虚拟环境中练习任务，然后将选定的行为转移到物理硬件上。这可以减少与收集物理训练数据相关的一些成本和风险，尽管仿真并不能完美再现现实世界。
人工智能并没有消除传统机器人工程的需求。安全控制器、运动规划、状态估计、传感器融合、执行器控制和紧急系统仍然是必不可少的。
人形机器人的应用
制造业
人形机器人正在被研究用于工业环境中的重复物料搬运、检查支持、组件移动和其他任务。一个关键的吸引力是能够在已经为人类设计的工作空间中部署机器人。
仓储和物流
仓库包含货架、箱子、手推车、包裹和围绕人类工作流程设计的工作站。人形机器人最终可能会协助挑选、搬运、分类和其他物理任务，特别是在灵活性比最高速度更有价值的情况下。
研究与开发
人形平台为研究者提供了一个具有挑战性的物理环境，用于研究 locomotion、操控、感知、学习和人机互动。
医疗保健和辅助生活
研究人员正在探索能够支持医疗保健和辅助生活环境中选定的物理或行政任务的机器人。这些应用程序对安全性、可靠性、隐私和人类监督的要求特别高。
教育
人形平台可用于教授编程、机器人技术、人工智能、控制系统和人机互动。
家务任务
家庭机器人是最雄心勃勃的领域之一，因为家庭是非结构化的环境，包含许多不同的物体、表面、布局和意外情况。通用的家庭辅助仍然比在受控环境中的演示要困难得多。
人形机器人与其他机器人
| 机器人类型 | 强项 | 最佳适配 | 典型权衡 |
|---|---|---|---|
| 人形机器人 | 与人类兼容的移动和操作能力 | 为人设计的灵活环境 | 复杂性、能耗和成本 |
| 机械臂 | 精确的重复操作 | 制造工作单元 | 没有额外系统的有限移动能力 |
| 轮式移动机器人 | 在适合的地面上高效移动 | 仓库和室内物流 | 在楼梯和不平坦地形上的困难 |
| 专用机器 | 高度优化的任务性能 | 稳定、重复的过程 | 在其设计任务之外灵活性较差 |
因此应通过整体任务经济学和操作要求来评估类人机器人，而不是外观。当环境允许时，一个更简单的机器人可能是更好的工程解决方案。
人形机器人的潜在好处
- 与人类环境的兼容性： 两条腿和类人手臂的可达性可以方便进入现有空间和设备。
- 任务灵活性： 一个通用平台可以执行几种类型的物理工作。
- 潜在的劳动力支持： 机器人可以处理特定的重复性、体力要求高或危险的任务。
- 可重复使用性： 一个多功能平台可通过软件和工具更改适应多种任务。
- 研究平台： 类人机器人为高级人工智能、控制、感知和操作提供了一个有价值的测试平台。
挑战与局限性
能源消耗
双足运动和持续平衡需要能量。电池重量也造成了难以解决的工程权衡：更多电池可以增加运行时间，但同时增加机器人必须携带的质量。
灵巧操作
人类的手极具能力。复制它们的灵活性、触觉敏感性、力量、可靠性和低成本的生物操作仍然很困难。
现实世界的可靠性
一个机器人可能在演示中成功执行任务，但在灯光、物体位置、地面条件、意外人员、损坏的包裹或不熟悉的物体变化时仍然会遇到困难。
在人员周围的安全性
类人机器人设计用于在许多提议的应用中靠近人类操作。因此，安全的物理互动需要仔细的机械设计、传感、控制限制、故障检测和紧急行为。
成本和维护
先进的机器人包含复杂的机械、电气、计算和软件系统。维护、更换部件、校准、充电基础设施和专业支持可以实质性地影响经济学。
AI的可靠性
人工智能系统可能会做出错误分类或选择不当的行动。物理机器人需要安全层，以防止不确定的软件决定变成危险的物理行为。
安全和保安
人形机器人结合了软件和物理机器，因此网络安全可能成为物理安全问题。一个被攻击的机器人可能被指示移动、访问系统或执行超出其预定操作边界的动作。
安全应包括经过身份验证的通信、受保护的软件更新、强身份和访问控制、适当的网络分段、日志记录、安全开发实践，以及精心设计的故障安全行为。
物理安全还需要分层控制。紧急停止、力限制、碰撞检测、安全操作区域、在合理情况下的冗余感知和受控恢复行为可以降低风险。
旨在工业环境中使用的机器人应根据适用的工作场所安全标准和部署管辖区的要求进行评估。
类人机器人未来
人形机器人下一个阶段可能会更少关注令人印象深刻的演示，而更多关注可靠性、有用的工作、运营成本、维护和可度量的生产力。
人工智能可以通过让机器人从演示、指令、模拟和操作数据中学习任务变化，使机器人变得更具适应性。更好的触觉感应和灵巧的手也可以扩展机器人可以操作的物体范围。
另一个重要的发展是机器人技术与仿真、数字环境、边缘计算和先进人工智能硬件的集成。我们的 空间计算指南 提供了将数字信息与物理环境连接的系统的额外背景。
触觉技术也可能变得越来越相关，因为触摸和力反馈可以帮助机器人理解与物体的接触，并允许人们更自然地与机器互动。请参见我们的 触觉技术指南 了解更多背景。
即使人形机器人变得更加高效，专业机器人仍将保持重要。机器人技术的未来更可能是各种机器人类型的结合，而不是一个形式替代所有其他机器的世界。
专家建议
- 评估机器人面临的任务： 从操作问题开始，确定人形机器人是否真的提供优势。
- 测量总成本： 包括充电、维护、停机、监督、集成和安全基础设施。
- 将人工智能与安全控制分开： 高级人工智能不应是防止危险物理行为的唯一机制。
- 测试边缘情况： 评估不寻常的物体、进入工作区的人、传感器故障、网络故障和意外的物理条件。
- 战略性使用模拟： 模拟可以加速开发，但物理测试依然至关重要。
- 计划维护： 机械磨损、校准、电池、执行器、传感器和软件更新都会影响可用性。
常见误解
- “类人意味着人类水平的智能。” 身体形状对机器人的推理或自主性影响不大。
- “类人机器人自动比专业机器人更优秀。” 专业机器在有限任务中可能更便宜、更快且更可靠。
- “人工智能使机器人完全自主。” 物理自主仍然需要可靠的传感、控制、安全系统和环境鲁棒性。
- “成功的演示证明商业准备就绪。” 生产部署需要可重复性、正常运行时间、维护、安全性、集成和经济合理性。
- “类人机器人仅在工厂中重要。” 潜在的应用还包括物流、研究、教育、医疗支持以及其他环境，尽管许多仍处于实验或有限状态。
常见问题解答
1. 什么是类人机器人？
类人机器人是指设计有类人身体结构的机器人，通常包括躯干、两个手臂、两条腿、一个头部传感平台和手或抓手。
2. 为什么公司正在开发类人机器人？
一个原因是许多工作场所和工具是为人类设计的。拥有类似伸展和机动性的机器人可能能够在现有环境中操作，而无需完全重新设计。
3. 类人机器人是由AI控制的吗？
许多现代类人研究和商业系统使用人工智能进行感知、规划、学习、语言交互或任务执行。它们还依赖于传统的机器人控制系统，以实现精确和安全的物理运动。
4. 类人机器人今天可以做什么？
能力差异显著。当前系统可以演示行走、物体操作、导航、检查和特定的工业或研究任务。它们的可靠性和自主性在很大程度上依赖于平台和环境。
5. 类人机器人在人员周围安全吗？
安全性取决于机器人的设计、软件、操作环境和控制。旨在靠近人类工作的系统需要分层物理和软件安全机制以及适当的测试。
6. 类人机器人与工业机器人臂有何不同？
工业机器人手臂通常在受控工作单元中优化以执行精确任务。类人机器人强调机动性和与为人类设计的环境互动的能力。
7. 类人机器人面临的最大挑战是什么？
没有单一的挑战。可靠的全身控制、灵巧的操作、感知、能效、安全、耐久性、成本以及对不熟悉情况的概括都是重大挑战。
8. 类人机器人会取代人类工人吗？
某些任务可能会越来越自动化，特别是重复性或体力要求高的工作。然而，对就业的影响将因行业和任务而异，类人机器人仍面临相当大的技术和经济限制。
结论
类人机器人结合了机器人技术、人工智能、计算机视觉、传感、运动控制、机械工程和日益复杂的学习系统。它们与人类兼容的形态可能使它们在围绕人类构建的环境中特别有用，尤其是在灵活性至关重要的地方。
与此同时，类人机器人技术远未解决。行走、操作、能源管理、安全性、可靠性、维护和经济可行性仍然很难。最重要的进展将来自能够在真实环境中提供可靠价值的机器人，而不仅仅是令人印象深刻的演示。
随着人工智能和机器人技术的不断融合，类人系统将继续是一个重要的关注领域。它们的最终角色将取决于开发者在工程、安全、经济和人类因素方面多有效地解决原型与可靠日常机器之间的障碍。
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