在科技飛速發展的當下，人形機器人宛如一顆璀璨新星，迅速崛起，成為科技領域炙手可熱的焦點。無論是在被譽為科技界“春晚”的國際消費電子展CES上，還是在有著“中國科技第一展”之稱的中國國際高新技術成果交易會上，人形機器人都占據C位，大放異彩。

各大媒體也對人形機器人青睞有加，頻繁報道。從特斯拉Optimus在工廠里靈活作業，到宇樹科技的Unitree G1以親民價格震撼市場，每一次人形機器人的新突破、新進展，都能成為輿論熱點，在網絡上掀起討論熱潮，吸引著全球目光。

2025年1月30日，特斯拉在業績會上更新了Optimus機器人量產指引，2025年目標生產1萬臺機器人，產能第一步擴至每月1000臺，到2026年每月產能達到10000臺，2027年每月產能達到10萬臺。

圖1 特斯拉的Optimus^[1]

2025年1月28日，宇樹科技的Unitree G1在央視春晚的舞臺上進行了扭秧歌表演，能靈活地跳舞、轉手絹，展示了其靈活的操控性能。緊接著，2025年2月6日，宇樹機器人與英偉達協作，G1人形機器人在英偉達上海年會上展示了超凡的表演能力，能模仿體育界巨星如C羅、詹姆斯和科比的經典動作，還能隨著節奏扭動身體，展示了其卓越的舞蹈天賦。

圖2 宇樹科技的Unitree G1^[2]

早期探索：夢想的萌芽

人類對人形機器人的幻想，最早可追溯至15世紀的達·芬奇時代。這位偉大的藝術家、科學家在其手稿中繪制了一個人形機器人——“機器武士”，以木頭、金屬和皮革為外殼，由齒輪驅動，依靠風和水力運轉，能完成坐、站立、揮舞胳膊等簡單動作。雖然受限于當時的科技水平，“機器武士”未能具備真正的智能，但它無疑是人類探索人形機器人領域的先驅之作，為后來者種下了夢想的種子。^[3]

時光流轉到了20世紀上半葉，美國開啟了現代意義上的人形機器人研制。1954年，美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機械手，并注冊專利，這一創舉拉開了現代機器人發展的序幕。隨后，被譽為“機器人之父”的約瑟夫·恩格爾伯格創建了世界上第一家機器人公司Unimation，幾年后，該公司的第一臺機器人產品Unimate問世。1968年，美國斯坦福國際研究所成功研制出移動式機器人Shakey，它是世界上第一臺帶有人工智能的機器人，能夠自主進行感知、環境建模、行為規劃等任務，讓人們看到了機器人從機械執行向智能決策邁進的曙光。

關鍵突破：技術的飛躍

20世紀60年代起，人形機器人的研發迎來了關鍵突破。1967年，日本早稻田大學研制出WABOT-1，它高約2米，重160公斤，配備肢體控制系統、視覺系統和語音交互系統，擁有仿人雙手和雙腿，全身共26個關節，胸部裝有兩個攝像頭，手部裝有觸覺傳感器。盡管WABOT-1的行動能力僅相當于一歲多的嬰兒，行走一步需要45秒，步伐只有10公分左右，但它的誕生意義非凡，代表人類已初步實現全尺寸人形機器人雙足行走，其主要創造者加藤一郎也因此被譽為“世界仿人機器人之父”。

圖3 日本早稻田大學研制的WABOT-1^[4]

在WABOT-1的基礎上，科學家們不斷探索創新。2000年，本田公司推出人形機器人ASIMO，身高130厘米，體重48公斤，全身57個關節，最大速度是9km/h。ASIMO不僅能實現小跑、單足跳、上下樓梯和踢足球等復雜運動，還能實時預測下一個動作并提前改變自身重心，具備與人握手、揮手、隨音樂起舞等交互能力。經過多次迭代，ASIMO的功能愈發強大，可利用傳感器避障、預先設定動作、依據人類聲音和手勢等指令采取相應動作，還具備基本的記憶與辨識能力，成為當時人形機器人技術的集大成者，讓人們對人形機器人的未來充滿期待。

2009年，波士頓動力的Atlas機器人問世，原型機于2013年7月向公眾公開。Atlas采用液壓驅動電液混合模式，融合了光學雷達、激光測距儀、TOF深度傳感器等先進設備的技術能力。經過幾次優化，它通過RGB攝像頭和TOF深度傳感器獲取環境信息，利用模型預測控制器技術（MPC）跟蹤動作、調整發力和姿勢動作等，在28個液壓驅動器的推動下，可在復雜障礙環境內做出跳躍、翻滾、小跑、三級跳等一系列高難度動作，其卓越的平衡能力和靈活的運動控制令人驚嘆，將人形機器人的運動性能提升到了一個新的高度。

圖4 波士頓動力Atlas^[5]

近年來，特斯拉的Optimus橫空出世，引發全球關注。2022年10月1日，Optimus原型機正式亮相，展示了在汽車工廠搬運箱、澆水植物、移動金屬棒等操作。它身高171厘米，重56.6公斤，可拿取約20千克重的物品，行走速度為約時速8公里。Optimus的大腦采用特斯拉的超級計算機系統Dojo，還與特斯拉汽車共享神經網絡（NN），并安裝了相同的完全無人駕駛系統（FSD）。FSD包含多個傳感器、計算機、人工智能技術和算法，以及導航和地圖數據等，幫助汽車和機器人在各類環境中實現感知、決策和行動。特斯拉基于汽車的技術、品牌和市場積累，將通用能力尤其是在頂層數據和技術開發上的突破向機器人遷移，為Optimus的產業化落地奠定了堅實基礎，也讓人形機器人邁向了產業化的新階段。

人形機器人的技術架構可以從不同維度進行分類，本文按照功能模塊對人形機器人的技術架構進行專利分類解析。那么目前人形機器人領域的關鍵技術有哪些，具體解決方法是什么？讓我們從專利中找到答案。

圖5 人形機器人技術架構圖

人形機器人技術架構包括感知系統、控制系統、動力系統和機械結構系統，下面分別詳細介紹：

感知系統包括視覺系統、聽覺系統、力覺與觸覺系統、以及其他感知模塊。

感知系統相關專利布局多為兩種及以上感知系統耦合，可顯著提升其環境感知能力、決策準確性和交互自然性。如復旦大學申請的專利CN113910217B，通過麥克風陣列采集語音信號并記錄時間；然后利用人聲識別方法識別，統計采集到人聲的麥克風數量；從視頻中獲取人臉圖像幀，利用人臉辨識方法辨識并統計人臉數量；再結合唇動檢測算法實現唇動識別。這樣通過視覺、聽覺兩方面的融合處理，確定頭部的轉向角度，提高了交互自然性。

在視覺、聽覺和嗅覺系統的耦合方面，2024年北京大學與北京龍軟科技股份有限公司聯合申請的專利CN118230135B，通過集成部署成對的視覺、聽覺和嗅覺采集設備，實時記錄設備周圍環境或環境內同一空間對象的位置、形態、運動狀態、聲音和氣味等多維度的連續時空信息對。系統將同一時刻時空信息對以成對的形式存儲和同步融合處理，以實現相互印證并形成具有景深和屬性標識的三維處理結果或視頻流，達到識別和理解場景中的時空關系和事件的效果。

控制系統主要負責規劃和控制機器人的運動軌跡、姿態，根據任務需求生成關節角度、速度等控制指令，使機器人能夠完成行走、抓取等動作；根據感知系統獲取的信息和預設的目標，進行任務分解、路徑規劃、動作選擇等高層決策，確定機器人的行為策略；利用傳感器反饋的信息，實時調整控制參數，確保機器人的運動和操作達到預期效果，提高系統的穩定性和準確性。

如深圳市優必選科技股份有限公司申請的專利CN113031579B，根據雙足機器人當前所處的步態周期確定該雙足機器人的期望力矩控制量，由此，更準確地確定期望力矩控制量，從而使得根據該期望力矩控制量控制的雙足機器人行走更穩定。

又如2023年波士頓動力公司申請的專利US12194629B2，基于機器人的導航目標和運動狀態信息確定機器人的軌跡目標，進而確定機器人的重定向軌跡；基于重定向軌跡，確定機器人的質心軌跡和運動學軌跡，進而確定機器人的關節向量，實現人形機器人在困難的地形、不可預見的障礙以及外部條件意外變化的環境中完成導航動作。

動力系統包括電機與驅動器、電池與電源管理兩方面。

電機與驅動器為機器人的關節提供動力，常見的有伺服電機、步進電機等，驅動器用于控制電機的轉速、扭矩和位置。

在該技術方向上，代表專利如2023年杭州宇樹科技有限公司申請的專利CN220687938U，提出了一種復合減速結構的關節動力機構，采用多級減速結構，其在一級減速結構中采用雙面齒圈作嚙合傳動，通過內外雙側均設齒面的雙面齒圈在內齒圈上作偏心運動，來帶動外齒圈輸出，利用較小的結構空間即可獲得較高的減速比；并且由于該級減速結構在相互嚙合傳動過程中，始終是齒面接觸，齒的接觸面積大，接觸數量多，因而其抗過載能力強，不容易因載荷沖擊而損壞或失效。

電池與電源管理為機器人提供電力支持，高性能的電池需要具備高能量密度、長續航能力，電源管理系統則負責對電池進行充放電管理、能量分配等。

如2024年深圳市優必選科技股份有限公司申請的專利CN221575152U和CN117748946A，針對人形機器人在運動過程中因舵機電壓波動導致電路紋波大，影響系統穩定性，甚至導致主芯片停止工作的問題，當電源信號發生波動時，通過儲能電路進行放電至降壓模塊降壓，以輸出滿足外部電路所需的供電電壓信號。同時通過防反電路使得當電源信號波動時防止儲能電路倒灌，不僅電路結構簡單，而且成本較低。

機械結構系統包括決定了機器人的運動靈活性和自由度的各種關節，如旋轉關節、直線關節等，不同的關節設計適用于不同的運動需求。

在該技術方向上的代表專利如特斯拉公司在2023年申請的WO2024073135A1，通過使用單個線性執行器以最小的運動實現大角度的旋轉，從而提高機器人系統的效率和可靠性，從而優化機器人應用的關節設計。

又如2024年杭州宇樹科技有限公司申請的專利CN221938342U，針對現有技術無法滿足人形機器人實現各種姿態、動作的要求，擬人效果不好，不利于人形機器人推廣使用的問題，通過設置大腿體、小腿體和腳部支撐件以及相應的髖關節驅動單元、膝關節驅動單元、腳踝驅動單元，并且對結構進行緊湊設計，使得人形機器人可以做出各種擬人化的腿部以及腳部動作。

技術瓶頸：前行路上的阻礙

盡管人形機器人取得了顯著進展，但在技術層面仍面臨諸多瓶頸。能源續航問題是亟待解決的一大難題。目前，人形機器人大多依賴電池供電，然而現有電池技術能量密度較低，難以滿足機器人長時間、高強度工作的需求。以目前市場上的主流人形機器人為例，一次充滿電后，其續航時間往往僅能維持1-2小時，這極大地限制了機器人的工作范圍和效率。在實際應用中，頻繁充電不僅耗費時間，還可能影響任務的連續性和穩定性。

此外，人工智能技術的不完善也制約了人形機器人的發展。人形機器人需要具備強大的人工智能算法，以實現對復雜環境的感知、理解和決策。目前的人工智能技術在處理一些復雜場景和突發情況時，仍表現出明顯的不足。當遇到未知的環境變化或意外情況時，機器人可能無法及時做出準確的判斷和反應，導致任務失敗或出現安全問題。在復雜的室內環境中，機器人可能會因為無法準確識別和避開障礙物而發生碰撞，影響其正常運行。

技術突破：可期的變革

展望未來，在能源續航方面，新型電池技術的研發或將取得重大進展。固態電池作為一種極具潛力的新型電池，正逐漸成為研究熱點。與傳統鋰電池相比，固態電池采用固態電解質替代液態電解質，具有更高的能量密度，能夠為人形機器人提供更持久的續航能力。固態電池的能量密度可比傳統鋰電池提高2-3倍，這意味著人形機器人一次充電后，可運行的時間將大幅延長，工作效率將得到顯著提升。此外，固態電池還具有更高的安全性，能夠更好地適應復雜的工作環境，減少因電池問題引發的安全隱患，為人形機器人的廣泛應用提供有力保障。

在人工智能技術方面，隨著深度學習、強化學習等技術的不斷發展，人形機器人的智能水平將實現質的飛躍。未來，人形機器人有望具備更強大的認知能力和情感理解能力，能夠更好地理解人類的意圖、情感和需求，實現更加自然、流暢的人機交互。通過與人類的互動和學習，人形機器人可以不斷積累知識和經驗，提高自身的智能水平，成為人類真正的智能伙伴。

材料科學的進步也將為人形機器人帶來新的變革。新型材料的研發將使機器人更加輕便、靈活且堅固耐用。例如，碳纖維材料具有高強度、低密度的特點，其強度是鋼鐵的數倍，但重量卻輕得多，將其應用于人形機器人的結構部件，可顯著降低機器人的自重，提高其能源利用效率和運動靈活性。同時，智能材料的發展也將為人形機器人帶來更多的可能性。智能材料能夠根據外界環境的變化自動調整自身的性能，如形狀、硬度等，使人形機器人能夠更好地適應不同的工作場景和任務需求。

隨著技術的不斷突破，人形機器人在未來社會的應用前景將更加廣闊，將深度融入人類生活的各個領域，成為推動社會發展的重要力量。

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5. 波士頓動力Atlas圖片 - 搜索 ↑

作者：品源知識產權管理咨詢有限公司 張天闊