人形機器人半馬冠軍，為什么會選擇全尺寸？

金磊 一水 發(fā)自 凹非寺，量子位 | 公眾號 QbitAI

真·見證歷史了。

全球首個人形機器人半程馬拉松在北京亦莊開跑，足足21公里。

火爆程度，就連央視都現(xiàn)場直播，話題更是沖上了微博熱搜。

這次半馬，一共有20個人形機器人與1.2萬人類共同參賽，而在比賽開始2小時40分42秒之后，這個“全球首個”的比賽冠軍誕生了——來自北京人形機器人創(chuàng)新中心的全尺寸人形機器人——天工Ultra。

是直接打破世界紀(jì)錄的那種！

要知道，在這將近3個小時的時間里，天工Ultra全程是沒有遙控的，而是使用了無線領(lǐng)航技術(shù)完成跟隨導(dǎo)航和長程路徑規(guī)劃。

值得注意的是，天工Ultra是用同一臺機器人完成了整個比賽，全程沒有替換機器人。

不僅如此，天工Ultra自身身高達(dá)到了1.8米，體重55kg，對人形機器人來說，身高體重每增加一點，那么其技術(shù)難度可以說是指數(shù)級增加。

而天工Ultra屬于所有參賽“選手”中身高最高的那一個（最矮的僅75厘米），這一全尺寸人形機器人設(shè)計方案帶來了多重技術(shù)挑戰(zhàn)。

首先，整體重心的顯著上移對系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了更高要求；其次，關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)必須同步升級以適應(yīng)倍增的扭矩需求和更強的沖擊載荷。

同時，運動控制算法需要重構(gòu)以應(yīng)對急劇增加的慣性效應(yīng)和更為復(fù)雜的動態(tài)平衡問題；此外，系統(tǒng)能耗也將因負(fù)載的大幅增加而呈現(xiàn)非線性增長趨勢。

因此，又是全尺寸，又是最高，又能堅持全程跑下來，天工Ultra確實是有點實力在身上。

全尺寸的難，是怎么解決的？

全尺寸人形機器人面臨的首要挑戰(zhàn)來自硬件系統(tǒng)。

當(dāng)天工Ultra這樣的180cm、55kg全尺寸機器人要實現(xiàn)走路、跑步和長時間工作，每一步都需要承受超百斤體重的沖擊，這對機械結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)驅(qū)動、散熱系統(tǒng)和能源管理都提出了極高要求。

以提供最關(guān)鍵動力的一體化關(guān)節(jié)為例，要在小體積下驅(qū)動超百斤的機身，此前的電驅(qū)關(guān)節(jié)往往很快就會過熱報警。

天工Ultra采用大功率一體化關(guān)節(jié)，通過提升槽滿率20%以上、減少繞組端部體積30%，在相同功率下降低銅損15-20%，從源頭減少熱源產(chǎn)生。

同時整機熱管理系統(tǒng)的創(chuàng)新，進(jìn)一步克服了散熱瓶頸。

通過整機熱仿真模擬計算出最優(yōu)散熱風(fēng)道，采用定向氣流將關(guān)節(jié)熱量導(dǎo)向主散熱區(qū)，使關(guān)鍵關(guān)節(jié)溫度穩(wěn)定在70℃以下，確保電機扭矩輸出不因過熱而衰減。

這種設(shè)計經(jīng)受住了21公里持續(xù)奔跑的嚴(yán)苛考驗，實現(xiàn)了工業(yè)級耐久度。

而剛?cè)狁詈系耐炔拷Y(jié)構(gòu)解決了全尺寸大體重造成的沖擊吸收難題。

研發(fā)團隊借鑒生物力學(xué)原理，采用上移腿部元器件的“近端質(zhì)量集中”策略，將電機等核心驅(qū)動件向髖部集中，顯著減小了腿部轉(zhuǎn)動慣量。

同時，腿部連桿采用剛?cè)狁詈显O(shè)計，在腳步接觸地面時產(chǎn)生彈性形變，具備類似人類跟腱的儲能特性，既降低了峰值沖擊力，又能利用彈性勢能輔助邁步動作。

能源系統(tǒng)采用卡扣復(fù)合式快換電池倉設(shè)計，單個電池模塊可在120秒內(nèi)快速更換，配合智能化能源管理系統(tǒng)，讓人形機器人未來實現(xiàn)7x24小時穩(wěn)定無休地工作成為可能。

而除了硬件方面之外，全尺寸人形機器人軟件系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)同樣巨大，更大的機身尺寸需要更強的感知、決策和行動單元，并解決在復(fù)雜環(huán)境中的自主導(dǎo)航、動態(tài)平衡和長時穩(wěn)定精準(zhǔn)控制等問題。

天工Ultra依托“慧思開物”通用具身智能平臺，實現(xiàn)了“大小腦”協(xié)同的智能控制系統(tǒng)。

首先，具身大腦負(fù)責(zé)高級任務(wù)規(guī)劃和環(huán)境感知。通過提升具身大腦的能力，人形機器人能夠更好地理解和適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。

例如，具身大腦可以通過多模態(tài)感知（視覺、聽覺、觸覺等）實時獲取環(huán)境信息，并根據(jù)這些信息動態(tài)調(diào)整機器人的行為。這種能力對于機器人在不同場景（如家庭、工業(yè)、醫(yī)療等）中的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要。

其次，基于SLAM構(gòu)建的3D環(huán)境語義地圖使機器人能夠?qū)崟r感知靜態(tài)與動態(tài)障礙物，預(yù)測其運動趨勢，并動態(tài)生成安全避障路徑，機器人具備這些能力后，就可以在狹窄復(fù)雜的動態(tài)場景中實現(xiàn)高魯棒性的自主導(dǎo)航與協(xié)同作業(yè)能力。通過融合語義環(huán)境理解與動態(tài)行為預(yù)測，完成高復(fù)雜度自動化車間的自主通行或突發(fā)障礙下的應(yīng)急避讓等高難度任務(wù)，大幅提升服務(wù)效率與安全冗余度。

具身小腦則專注于全身動作的精確控制和動態(tài)平衡。

天工采用的“基于狀態(tài)記憶的預(yù)測型強化模仿學(xué)習(xí)”方法，通過引入時序本體狀態(tài)信息形成短時記憶，使機器人能夠估計和預(yù)測難以直接觀測的狀態(tài)信息。

這一技術(shù)在仿真訓(xùn)練中增加了外力干擾和域隨機化，大幅提高了仿真到實機的遷移成功率。

測試顯示，機器人能夠抵抗高達(dá)45Ns沖量的外部沖擊，在雪地等復(fù)雜地形被外力拖拽時也能自動保持平衡，這為未來廣泛應(yīng)用于戶外作業(yè)的場景提供了有效支持。

運動控制算法的創(chuàng)新解決了全尺寸機器人特有的高重心、大慣性難題。

通過強化學(xué)習(xí)反復(fù)迭代，機器人獲得了近乎本能的平衡控制能力，能夠根據(jù)外部傳感器的深度圖和點云信息，靈活調(diào)整步態(tài)和速度，應(yīng)對多種復(fù)雜地形。

算法優(yōu)化使機器人單步周期縮短，更符合高速奔跑時對腿部快速擺動的要求。

同時，除了日常的行走和奔跑外，人形機器人在上肢精細(xì)操作和上下肢協(xié)同能力上，全尺寸人形機器人比小尺寸人形機器人對運動控制算法也有了更高的要求。

耗費如此多頂尖工程師的腦細(xì)胞來攻克技術(shù)難題，原因就在于——

落地應(yīng)用需要人形機器人具備全尺寸

人形機器人的終極目標(biāo)，終究是大規(guī)模應(yīng)用落地。

現(xiàn)實世界的絕大多數(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、工具和場景都是圍繞成年人的身高體重來設(shè)計的，因此只要人形機器人想無縫融入并服務(wù)于人類社會，就必須適配這些預(yù)設(shè)的物理尺度。

換句話說，全尺寸是人形機器人實現(xiàn)通用的必要前提。

在很多當(dāng)前急需人形機器人的工業(yè)、特種作業(yè)和商業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，“全尺寸”是能上場工作的基礎(chǔ)條件：

高度與設(shè)備適配：各類重型設(shè)備與機器的分布和操作高度通?；诔赡耆说纳砀咴O(shè)計，因此只有全尺寸機器人才能完成操作儀器裝備等任務(wù)；

更能應(yīng)對復(fù)雜地形：從重型工廠到油田電塔，越是條件艱苦需要機器人完成的工作，“地面條件”就越是崎嶇復(fù)雜，全尺寸機器人更長的腿部結(jié)構(gòu)，才有機會具備更好的地形通過性；

長續(xù)航能力：由于全尺寸機器人可以配備更大的電池組，因此可以實現(xiàn)更長的續(xù)航能力，減少充電次數(shù)；

……

換做目前技術(shù)相對更成熟的機器狗，以及身高接近兒童的人形機器人，在很多真正的“工作”上可能都“有心無力”。

同時需要注意的是，不止天工機器人在工業(yè)領(lǐng)域選擇了全尺寸，一些國外知名機器人公司也在實踐中逐漸確立了這一尺度標(biāo)準(zhǔn)。

包括我們比較熟悉的特斯拉Optimus（1.72米），據(jù)投資機構(gòu)ARK Invest的一份報告顯示，Optimus的尺寸設(shè)計直接參考了美國職業(yè)安全與健康管理局（OSHA）的工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，特別是針對“垂直作業(yè)空間”（Vertical Work Zone）的要求。

以及在倉儲場景中，亞馬遜已測試人形機器人Digit（1.75米）與現(xiàn)有物流系統(tǒng)的兼容性，其臂展必須達(dá)到72厘米（模擬成人臂長）才能操作標(biāo)準(zhǔn)貨箱。

當(dāng)然，和上面類似的理由也適用于商業(yè)服務(wù)場景和家庭服務(wù)場景，而且由于這兩個場景更有可能和人類近距離接觸，因此對全尺寸的要求只會更高。

之所以這樣說，主要是已經(jīng)有行業(yè)玩家大量“踩坑”，為后人積累了寶貴經(jīng)驗（doge）。

2022年，日本東京希爾頓酒店在測試軟銀Pepper機器人時，因身高只有1.2米，在嘗試搬運20英寸登機箱（高55cm、重8kg）時無法將其放上行李推車。

還有在2012年首次亮相的豐田HSR家務(wù)機器人（Human Support Robot），因身高只有1.03米（影響因素占72%），在日本橫濱老年護(hù)理中心的實地測試中，嘗試拿取吊柜內(nèi)物品（如餐具、食品）的失敗率高達(dá)89%，一度廣受詬病。

盡管這兩者并非嚴(yán)格意義上的人形機器人，但的確反映出尺寸受限無法良好適配現(xiàn)實環(huán)境。

一言以蔽之，理論上全尺寸是人形機器人走向規(guī)?；慨a(chǎn)的必然選擇。

目前，以天工機器人為代表的行業(yè)玩家正在形成一股趨勢：全尺寸設(shè)計是必然選擇。只有開發(fā)出符合人類社會構(gòu)型的人形機器人，它們才能真正融入人類社會，實現(xiàn)人機共生。

再加上天工機器人在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域（本體、運控算法、能耗系統(tǒng)等）取得的一系列核心突破，“2025是人形機器人商業(yè)化量產(chǎn)元年”這一說法的含金量還在上升。

畢竟剛剛落幕的比賽已經(jīng)證明，全尺寸的天工機器人能夠參加這次大賽，并以破紀(jì)錄的成績拿下第一，其軟硬件技術(shù)已經(jīng)具備走出實驗室的強大潛力。

總體而言，本次備受關(guān)注的半馬比賽是人形機器人軟硬件的第一次硬核檢閱，其場面堪比改寫自動駕駛歷史的DARPA比賽。

要知道2004年，DARPA舉辦首屆自動駕駛汽車挑戰(zhàn)賽時，沒有一輛車可以跑完全程。而第一次參賽的天工機器人，一鳴驚人，首戰(zhàn)即功成。