书名：颠覆式革命：人形机器人产业浪潮
ISBN：978-7-115-66905-6
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编 著 王 晋 巫南克 杜 泽
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人形机器人集成了人工智能、高端制造、新材料等先进技术，代表着一个国家的高科技发展水平，有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品。本书包含4篇11章：“前世今生”篇（第一、二章）概述人形机器人产业的历史与现状，揭示其技术迭代演进的过程；“谁主沉浮”篇（第三至五章）聚焦全球主要国家在人形机器人产业上的政策布局和战略部署，重点剖析我国国家层面的政策及各地方产业的发展动态；“百变金刚”篇（第六至八章）详细阐述人形机器人在工业与建筑、家庭服务、医疗护理、军事与救援等领域的应用，剖析它们对劳动力市场产生的深远影响；“人机共生”篇（第九至十一章）对人形机器人产业的未来进行展望，预测技术发展的方向，探讨产业革命的新浪潮，并描绘一个人机共生、协作与冲突并存的新世界。
本书有助于提升人们对人形机器人产业的科学认知，提高相关人员的产业素养，可以作为产业经济领域相关学者和政府相关部门工作人员的参考书。
在科技日新月异的今天，人类正站在一个前所未有的门槛前。随着人工智能、大数据、云计算等技术的飞速发展，一场以人形机器人为核心的新产业革命正悄然兴起。2024年，被业界视为人形机器人量产元年。这些无不预示着未来社会结构的深刻变革和生产生活方式的颠覆性重塑。正是基于这样的时代背景，我们精心撰写了《颠覆式革命：人形机器人产业浪潮》一书，旨在全面剖析人形机器人产业的发展历程、发展现状、面临挑战与未来趋势，为读者揭示这一新兴产业的无限可能。
人形机器人，作为机器人领域的高端形态，其研发与应用不仅代表科技进步的先进水平，更是人类智慧与创造力的集中展现。近年来，随着关键技术的不断突破，人形机器人在工业与建筑、家庭服务、医疗护理、军事与救援等多个领域展现出广阔的应用前景，正逐步从科幻走进现实，从实验室走进人们的工作、生活场景，成为推动社会进步的重要力量。英伟达首席执行官黄仁勋甚至断言，100年后大街上的人形机器人将随处可见，人形机器人将变得像如今的汽车一样普及。
目前，市面上关于机器人的图书品种丰富，但关于人形机器人的图书却极为少见，即便有，也多是关于人形机器人理论与技术方面的。鉴于此，我们深感有必要系统梳理人形机器人产业的发展脉络，分析其背后的技术驱动、市场潜力、政策导向及社会影响，以期为相关从业者、政策制定者及广大读者提供一份相对权威、全面、前瞻的参考指南。
本书共4篇，从多个维度深入剖析人形机器人产业的历史、现状，并展望未来。
第一篇“前世今生：人形机器人产业的历史与现状”，通过追溯人形机器人的诞生与演变历程，阐述人形机器人的独特优势及早期研究成果，详细介绍人形机器人的技术迭代演进，并对全球人形机器人产业进行大盘点，帮助读者建立对人形机器人产业的整体认知。
第二篇“谁主沉浮：人形机器人产业政策比拼”，聚焦全球主要国家在人形机器人产业上的政策布局与战略部署，深入分析各国政策导向、重点举措及发展趋势，揭示国际竞争的新格局与新动向。同时，本篇重点剖析我国人形机器人产业的国家战略部署，系统梳理国家层面的政策逻辑。本篇最后分析我国地方人形机器人产业政策，探讨不同地方如何结合自身特点推动人形机器人产业的发展。
第三篇“百变金刚：应用场景与行业影响”，围绕人形机器人在工业与建筑、家庭服务、医疗护理、军事与救援等主要应用场景的实践探索，分析其对相关行业的深刻影响与推动作用，同时探讨人形机器人发展带来的社会影响与劳动力市场结构的变化，剖析其对社会伦理的深层影响，阐述其可能面临的挑战。
第四篇“人机共生：人形机器人产业未来展望”，基于当前技术发展趋势与市场动态，预测人形机器人产业未来发展过程中的关键技术突破、产业规模增长、商业模式创新，生动勾勒人机共生新世界的美好图景，为读者描绘一幅激动人心的未来蓝图。
本书内容翔实，从多个角度全面剖析人形机器人产业的发展现状和存在的问题，为读者提供一个系统而完整的产业画卷。同时，鉴于人形机器人作为人工智能、高端制造、新材料等先进技术的集大成者，代表当前科技和产业发展的最新趋势，本书紧跟时代潮流，及时捕捉这一产业的最新动态，为读者提供前沿的知识和信息。
我们希望本书能够激发社会各界对人形机器人产业的关注与热情，促进技术交流与合作，推动产业健康、快速发展。同时，我们也期待本书能够成为相关政策制定者、科研人员、经管学者、企业家及广大爱好者了解人形机器人产业的重要窗口，为构建人机共生的和谐未来贡献一份力量。在探索与创新的道路上，我们将与读者携手并进，共同迎接人形机器人产业带来的颠覆式革命！
由于作者视野、学识有限，本书疏漏之处，敬请读者批评、指正。
王晋
2024年10月于成都
人形机器人是科技进步与人类历史的独特交汇点。在人类历史的长河中，人形机器人的概念一直激发着科学家和相关人员的想象力。人形机器人是现代科技的前沿成果之一，拥有令人惊叹的高度自动化和智能化能力。同时，它也承载着古老的梦想和传说，是古代神话和其他文学作品中常见的主题。人形机器人不仅仅是冷冰冰的金属和电路的集合体，还是人类模仿生命、追求永恒的象征，更是科技与人文精神的融合体。从古代的机械木偶到今天的高级仿生机器人，它们展现出人类创造力的无限可能，同时也引发人们关于人工智能（Artificial Intelligence，AI）与人类未来的深刻思考。
第一节 机器人的起源与迭代要探究机器人的起源，首先让我们回到定义，思考什么是机器人？根据《现代汉语词典（第7版）》，机器人是一种自动机械，由计算机控制，能代替人做某些工作。另据维基百科，机器人（Robot）包括一切模拟人类行为或思想以及模拟其他生物的机械装置，如机器猫、机器狗等。1920年，捷克作家卡雷尔·恰佩克发表了科幻剧本《罗素姆万能机器人》。在剧本中，恰佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”（“Robota”的意思是苦力），这引起了人们广泛的关注，并被当作“机器人”一词的起源。尽管机器人的各种定义并不统一，但有一点是一致的，那就是机器人不一定具备人的外形或者像人。
说起机器人，很多人一定会马上联想到现代高科技。其实，机器人年轻而古老，既极具科技感，又富有传奇色彩。在古希腊神话中，为保护克里特岛，火神与匠神赫菲斯托斯创造了巨大的青铜机器人。在印度传说中，阿阇世王利用机器人保卫圣物。
当然，机器人不只属于神话或传说，也是实实在在的物体。目前，有文字记载的机器人，可追溯至古代的自动装置和机械玩具。据《列子》记载，西周时期，我国的工匠偃师就研制出能歌善舞的“伶人”。“伶人”被认为是我国最早的机器人，这个机器人结构精细，五脏六腑俱全，几乎与真人一样。战国百家经典《墨子》里记载，春秋时期，著名工匠鲁班制造出一只木鸟，这只木鸟能在空中飞行数日。可见，机器人不一定像“人”，也可能像“鸟”，最重要的，它是一种自动机械装置。三国时期，蜀国丞相诸葛亮发明了“木牛流马”，并将其成功运用于军粮运送，支援前线战争，因此，诸葛亮也是一位机器人发明大师。
在遥远的西方，公元前400年左右的古希腊，有一位名叫阿契塔的工匠制造过机械鸽子，这是欧洲历史上已知的第一个自动机械装置。公元前2世纪，古希腊人在亚历山大时代发明了能动的雕像，该雕像以水、空气及蒸汽压力为动力，它可以自己开门，更为神奇的是，它还可以借助蒸汽唱出美妙的歌曲，可谓“歌星”机器人。在欧洲文艺复兴时期，意大利著名科学家和艺术家达·芬奇设计了一款以木头、金属和皮革为外壳，以齿轮为驱动装置的机器人。它可以坐下和站立，头部和胳膊也可以进行相应的转动。后来，一群意大利科学家用了15年时间，根据达·芬奇留下来的设计草图制作了一款“机器武士”，如图1-1所示。
图1-1 根据达·芬奇的设计草图制作的“机器武士”
1738年，一个叫杰克·戴·瓦克逊的法国天才技师发明了一只机器鸭，它不仅能发出“嘎嘎”的叫声，还会游泳，甚至还能吃喝拉撒，这些动作的完成依靠的是每侧翅膀内400多个移动零件。1770年，美国科学家发明了一种报时鸟，一到整点，这种鸟的翅膀、头和喙便开始运动，同时发出叫声。在这个过程中，它的主弹簧驱动齿轮转动，带动凸轮转动，从而驱动翅膀和头运动，同时活塞压缩空气发出叫声。
真正意义上的现代机器人概念与技术诞生于20世纪中叶。随着工业革命的深入和自动化技术的发展，人们开始构想并制造出能够执行简单任务的机械设备，这些设备可视为机器人的雏形。1947年，美国阿贡国家实验室开发了遥控机械手；1948年，该实验室又开发了机械式主从机械手。这些机械手能代替人处理放射性物质，在一定程度上把人从原子能实验室恶劣的工作环境中解放出来。
20世纪后半叶，计算机科学的兴起为机器人技术带来了革命性的变化。机器人开始具备更为复杂的感知、学习和决策能力，能够在更广泛的领域中发挥作用。从工业生产线上的自动化机器人，到太空探索中的无人驾驶航天器，再到医疗服务中的辅助机器人，机器人的应用领域不断拓展。1954年，美国人乔治·德沃尔（George Devol）最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。在伺服技术的控制下，这个时期的机器人的关节根据人手进行的动作示范，实现了动作的记录和再现，也就是能模仿人手的某些简单动作。这种“示教再现”的方式成为后续控制工业机器人的一种重要方式。这种方式使得机器人能够执行一些简单的、重复性的任务，大大提高了生产效率和自动化水平。
1958年，被誉为“工业机器人之父”的约瑟夫·弗雷德里克·恩格尔伯格（Joseph Frederick Engelberger）创建了世界上第一个机器人公司——Unimation公司。1959年，恩格尔伯格与德沃尔联手制造出全球首台工业机器人——Unimate，如图1-2所示。这台机器人以五轴液压驱动，其手臂动作通过计算机精确控制。值得一提的是，该机器人运用了先进的分离式固体数控元件，并配备了能存储信息的磁鼓。这使得机器人能记住并执行100多个工作步骤，这台机器人主要用于压铸。恩格尔伯格和德沃尔制造的全球首台工业机器人无疑是一项革命性的技术创新，该机器人使用计算机来控制手臂动作，这在当时是非常先进的技术，是这项技术创新的一个亮点。计算机控制确保了机器人动作的精确性和可重复性，大大提高了工作效率和质量。采用分离式固体数控元件是这项技术创新的另一个亮点。这种设计使得机器人的控制系统更加稳定和可靠，同时也为后续的机器人技术发展奠定了基础。此外，能存储信息的磁鼓是这项技术创新的又一个亮点，这极大地增强了机器人的自主工作能力和适应性。
图1-2 工业机器人——Unimate
1968年，人工智能与机器人技术融合的里程碑诞生了——斯坦福国际研究所成功研制出名为Shakey的移动机器人。作为全球首台拥有人工智能特质的移动机器人，Shakey不仅具备自主感知能力，还能执行环境建模、行为规划等高级任务，为机器人技术的发展揭开了新篇章。该机器人配备电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器等硬件设备，并由两台计算机通过无线电通信系统进行控制。当然，这台机器人的缺点也很明显，受限于计算能力，需要有很大的机房用于支持其功能运算，而Shakey规划行动路径也常常要耗费数小时之久。
如果认为美国在现代机器人发明方面功不可没，那么日本则在将机器人推进到实用阶段作出了突出贡献。1968年，日本川崎重工业株式会社从美国引进技术，通过模仿学习，于1969年试制出第一台日本国产工业机器人Unimate。20世纪70年代，日本工业机器人迅速普及，工业机器人年产量从1970年的1350台猛增至1980年的19 843台，年增长率约为30.8%。1980年，这个被称为“日本机器人普及元年”的重要时间点，日本开始在各个领域推广并使用机器人，在缓解国内劳动力严重短缺的问题方面起到了重大作用。1986年，日本国内的工业机器人保有量约为10万台，日本已经成为名副其实的“机器人王国”。
总之，随着技术的不断进步，机器人的形态和功能也不断迭代。从最初的简单机械手，到后来的轮式移动机器人，再到如今能够模拟人类运动的人形机器人，机器人的形态越来越接近人类，功能也越来越强大。最早的机器人通常只是一些简单的机械手，用于执行重复性的任务，例如在工厂中进行焊接、装配或搬运。这些机器人通常缺乏智能和自主性，只能执行预先编写的指令。随着技术的发展，机器人开始具备移动能力。轮式移动机器人可以在工厂、仓库、医院等环境中自由移动，执行各种任务。它们通常配备传感器，可以避免碰撞障碍物并自主导航。现代人形机器人的设计受到人类生物学的启发，它们具有类似于人类的外形和运动能力，这些机器人通常用于协助人类。因为后面还要专门介绍人形机器人，这里不赘述。
第二节 人类中心主义与人形机器人的优势人类中心主义深刻影响了科技的发展方向。人形机器人作为机器人技术的重要突破，正是这种主义的体现。它们不仅在外观与行为上高度模仿人类，更在交互体验、情感表达及广泛应用上展现出巨大优势。人形机器人不仅是高科技的结晶，更是未来社会的重要参与者，其发展水平成为衡量国家科技实力的重要指标。本节将深入探讨人类中心主义与人形机器人的紧密联系，分析人形机器人的独特优势及其对社会的深远影响。
人形机器人是机器人发展的重要方向。在机器人的发展历史中，人类对人形机器人的研制似乎情有独钟。研制与人类外观类似，具备与人类类似的行为、智力和情感，甚至能与人类交流的人形机器人一直是人类长久以来的梦想。有学者甚至将人形机器人视为机器人学、机器人技术以及人工智能的终极研究目标。为何人类青睐人形机器人的研制呢？这与人类中心主义密切相关。
在探讨人类中心主义与人形机器人的优势时，我们首先要明确人类中心主义的定义。人类中心主义是一种观点或实践，其认为人类是宇宙的中心，强调了人类的独特性和创造性，人类的需求和利益应该被置于其他生物或事物之上。我们现在生活的这个世界是一个被人改造的世界，是适宜人类生活的世界。
而人形机器人，作为人工智能和机器人技术的结晶，是模仿人类形态和行为的机器人，它相对于其他形状的机器人具有更好的适配性，能更好地服务于人类。试想，我们周围的一切都是为人量身打造的，如何让机器人更好地服务于人类呢？最好的做法之一是，将机器人研制成具有类似于人类体貌特征的人形机器人，而不是为机器人专门创造另外一个生存环境。
为满足人类多样化的需求，人形机器人被设计成各种形态。人形机器人根据其形态不同可以分为轮式、足式和全能型3种。轮式人形机器人结合了轮式驱动、协作机械手和灵巧手，不仅注重移动能力，还突出了触觉传感器与灵巧手的协同操作能力；足式人形机器人则主要侧重于腿部的运动功能，其手部更多用于保持平衡；全能型人形机器人则配备了双足、双臂、双手，具有多种感知能力，并融合了人工智能技术，凭借全面的软硬件基础，能够在开放环境中完成多项任务。人形机器人在设计之初就融入了人类中心主义的思想，这不仅赋予了它们高度的类人特征，还使它们在多个方面展现出了独特的优势。人形机器人的具体优势有以下几点。
人形机器人在外形与行为设计上模仿人类，其中外形上具有手部、足部、头部和躯干等，这种设计使得人们容易对人形机器人产生视觉上的好感、亲近感，并能够满足人们的情感认同。人形机器人具备灵活的关节和运动能力，可以模拟人类的运动方式，如行走、跑步、抓取物品等。这种灵活性使得人形机器人能够在与人类互动时更加自然和流畅，增强了其亲和力。它们与人类的接近程度越高，被接受和认可的程度就越高。
人形机器人在交互方面展现出了出色的能力。通过结合自然语言处理和计算机视觉等技术，它们能够更好地理解人类的语言和行为，预测人类的意图。人类可以与它们进行自然而流畅的对话。它们可以回答人类的问题，给人类提供帮助和建议。这种交互方式使得人类与人形机器人的互动更加真实和令人愉悦，人类会觉得它们就像与自己平等对话的朋友。
人形机器人在情感表达方面也展现出了独特的魅力。通过面部表情（如微笑、皱眉或眨眼）、肢体语言（如挥手打招呼、点头表示同意）等方式，它们能够表达丰富的情感。此外，人工智能生成内容（Artificial Intelligence Generated Content，AIGC）技术的支持，能进一步优化它们的情感表达的真实性和丰富度。这使得人形机器人能够更好地理解人们的情感需求，为人们提供精准的情感支持和陪伴。
人形机器人的应用场景非常广泛，包括服务、医疗、教育、制造等多个领域。在服务领域，它们可以提供餐厅服务、酒店接待、景点讲解等服务；在医疗领域，它们可以协助医护人员进行手术、照顾病人等；在教育领域，它们可以帮助学生学习编程、外语、数学等，提供个性化的辅导和互动；在制造领域，它们可以执行重复性任务、提高生产效率。这些应用场景使得人们能够在各种情况下与人形机器人进行互动，进一步增强了人们对它们的喜爱和依赖。
此外，人形机器人还可以提高人类社会的包容性。通过为身体能力受限人士提供服务，人形机器人可以帮助他们更好地融入社会，提高他们的生活质量，促进社会的包容与和谐。
从技术层面看，人形机器人的通用性要求很高，是尖端技术的集大成者。有学者评价，人形机器人是少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统，是一个用于研究各种新理论和新方法的非常理想的实验平台。人形机器人集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术等多门学科于一体，代表一个国家的高科技发展水平。2022年《福布斯》全球亿万富豪榜榜首、特斯拉创始人埃隆·马斯克甚至表示，未来人形机器人将成为工业的主力，其数量有望超越人类。
中华人民共和国工业和信息化部（以下简称“工信部”）印发的《人形机器人创新发展指导意见》也明确指出，人形机器人集成人工智能、高端制造、新材料等先进技术，有望成为继计算机、智能手机、新能源汽车后的颠覆性产品。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，相信人形机器人将会在未来发挥更加重要的作用，并受到更多人的喜爱和追捧。人形机器人将成为人类生产生活的重要参与者，并进一步成为衡量一国科技实力和国力水平的重要指标。
通过对人类中心主义与人形机器人优势的深入探讨，我们不难发现，这两者之间存在深刻而紧密的联系。人类中心主义作为一种长期影响科技发展方向的价值观，在人形机器人的研制中得到了淋漓尽致的体现。人形机器人不仅是技术创新的集大成者，更是未来社会不可或缺的重要参与者。
第三节 人形机器人的早期研究人形机器人作为机器人的一个重要分支，其发展历程充满了探索与挑战。本节将深入探讨人形机器人的早期研究情况，从概念起源到技术突破，逐步展现这一领域如何从科幻逐渐走向现实。我们将回顾人形机器人研究的序幕如何被揭开，分析早期人形机器人在控制系统、感知能力和机械结构设计等方面的技术特征。通过学习这些内容，读者不仅能够理解人形机器人技术的早期发展历程，还能从中洞察未来技术创新的趋势与方向。
人形机器人（Android），又称仿人机器人，是一种旨在模仿人类外观和行为的机器人（大多数机器人其实并不像人），特指具有和人类相似肌体的种类。Android一词，由希腊语词根andro- （人、男性）和后缀-oid （形似的）组合而来。长期以来，人形机器人的概念还主要停留在以电影、电视剧、漫画、小说等为载体的科幻领域。由于词根“andro-”具有男性的意思，一些作品中将女性Android称为Gynoid以示区别。
人形机器人的早期研究可以追溯到20世纪60年代，当时科学家们和工程师们开始探索如何设计和制造能够模仿人类行为的机器人。1968年， 美国通用电气公司的研究者试制了一台名叫Rig的操纵型二足步行机构，从而揭开了仿人机器人研究的序幕。这一领域的研究主要集中在控制系统、感知能力和机械结构设计等方面，旨在实现人形机器人的基本行走、抓取和操作等功能。在早期，人形机器人的研究受到了技术水平和资金的限制，进展相对缓慢。然而，随着技术水平的不断进步和资金的逐步投入，人形机器人的研究逐渐取得了突破性的进展。
日本在人形机器人研究方面一直处于领先地位。自早稻田大学的加藤一郎教授于1967年启动WABOT项目起，该国在人形机器人领域的研究便持续取得突破。
1967年，早稻田大学的加藤一郎教授在加藤实验室启动了极具影响力的WABOT项目，1973年，该实验室成功研制出世界上第一个全尺寸人形“智能”机器人——WABOT-1。这个机器人能够实现双足步行，可以进行简单的语言交互和动作展示，它的诞生是人形机器人从理论走向实践的重要一步。1984年，加藤实验室又研制出WL-10RD仿人机器人（见图1-3），该机器人采用踝关节力矩控制。随后，本田公司也开始了对人形机器人的研究。1986年至1993年，本田公司接连开发了E0到E6等7种行走机器人，这些机器人主要用于研究行走功能和机械结构的优化。这些早期研究为人形机器人的发展奠定了坚实的基础。
图1-3 WL-10RD仿人机器人
这些早期研究不仅为日本在人形机器人领域奠定了领先的地位，同时也为全球人形机器人的发展作出了重要贡献。时至今日，日本依然在该领域保持领先的技术水平和创新能力。
我国在仿人机器人研究方面起步较晚，直到20世纪80年代中期才开始研究双足步行机器人，但研究进度较快，也取得了很多成果。在我国人形机器人研究的早期阶段，高校和科研院所扮演了至关重要的角色，是推动我国人形机器人产业发展的核心动力。国防科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、北京理工大学、浙江大学以及中国科学院自动化研究所等高等学校和科研院所，均取得了显著的研究成果。
1988年2月，国防科技大学在国家高技术研究发展计划（简称863计划）、国家自然科学基金委员会以及湖南省政府的资助下，在机器人技术方面取得了重大突破，成功研发出一款创新的六关节平面运动双足步行机器人。这款双足步行机器人的成功研发，标志我国在机器人技术领域迈出了重要的一步。6个关节的设计使得机器人能够在平面内进行更为复杂和灵活的运动，这对于后续机器人技术的发展具有重要意义。
在此基础上，通过继续深入研究，国防科技大学于1990年相继推出了具有10个和12个关节的三维空间运动机器人系统。这些机器人系统能够模仿人类的基本行走功能，包括前进、后退、左右移动、转弯、上下台阶、爬坡以及越过障碍等。从六关节平面运动双足步行机器人发展到具有10个和12个关节的三维空间运动机器人系统，这表明国防科技大学在机器人技术方面取得了显著的进步，更多的关节意味着机器人能够在更多维度上进行运动，从而实现更复杂的动作。
2000年11月，经过十多年的不懈努力，国防科技大学成功打造了我国首个人形机器人——“先行者”（见图1-4），这标志着我国机器人技术的重大飞跃。“先行者”不仅拥有类似人类的外形（它有与人类相似的头部、眼睛、双臂和双脚），还具备基本的语言交流能力，并且能够进行动态步行。
图1-4 “先行者”人形机器人
从大的技术体系看，在控制系统方面，早期的人形机器人主要依赖预设的程序和简单的传感器进行控制和决策。这些程序往往是基于特定的环境和操作条件设计的，因此在面对复杂多变的现实环境时，它们的应对能力显得相对有限。除了预设的程序，早期的人形机器人还配备了简单的传感器，这些传感器能够检测环境中的基本变化，如接触、声音或光线的变化。不过，这些传感器的功能相对单一，收集的信息也较为有限，无法为机器人提供全面的环境感知能力。随着计算机技术的不断进步和传感器技术的发展，人形机器人的控制系统逐渐变得复杂和智能化。研究者们开始采用更加先进的控制算法和传感器融合技术，使机器人能够更好地适应环境和执行任务。
在感知能力方面，早期的人形机器人主要通过摄像头和简单的传感器来获取环境信息。首先，摄像头作为人形机器人的“眼睛”，提供了基本的视觉感知能力。然而，早期的摄像头往往分辨率较低，色彩处理能力有限，而且缺乏现代计算机视觉技术中常见的深度感知和物体识别功能。这意味着机器人只能捕捉到环境的基本图像，无法对图像中的物体进行精确识别和分类。除了摄像头，早期的人形机器人还配备了各种简单的传感器，如触觉传感器、声音传感器和光线传感器等。这些传感器能够帮助机器人感知到环境中的物理变化，如物体的接触与否、声音的强弱和光线的明暗等。当然，这些传感器的感知范围有限，而且只能提供单一类型的信息。因此，机器人在理解和响应环境变化时，常常需要依赖多个传感器协同工作，并进行复杂的计算和分析。随着计算机视觉、深度学习等技术的发展，人形机器人的感知能力得到了显著提升，能够更好地理解环境和与人类进行交互。
在机械结构设计方面，早期的人形机器人研究重点之一是如何设计出类似人类的机械结构。这包括如何模仿人类骨骼和关节系统的运动机制，以及如何平衡重心和稳定步态。人类骨骼和关节系统是运动能力的基础，早期研究者尝试通过机械手段模仿这一系统的运动机制。例如，使用电动马达和液压系统来模仿人类骨骼和关节系统的运动机制。这些尝试帮助研究者理解了人体运动的基本原理，并将这些原理应用于机器人的设计中。这些尝试为后来设计更高级的机器人提供了基础，使得机器人能够进行更复杂的动作，如跑跳和爬楼梯。
总之，人形机器人的早期研究主要集中在控制系统、感知能力和机械结构设计等方面，通过不断的技术创新和改进，逐步实现了机器人的基本功能和动作。这些早期研究为人形机器人的后续发展奠定了坚实的基础，并为后续的研究和应用提供了重要的参考和借鉴。
在人形机器人的发展历程中，其早期研究标志着机器人技术的重大飞跃，是科技史上的重要里程碑，反映了人类对“类人”的持续探索。这一时期的研究不仅是技术突破，还体现了人类中心主义在科技中的实践，预示人机互动新时代的到来。
第四节 人形机器人的技术迭代演进人形机器人的技术迭代演进是一个漫长而复杂的过程。人形机器人的发展历程可追溯到15世纪的达·芬奇时代，但现代意义上对人形机器人的研制则始于20世纪60年代。通过梳理相关文献，我们可以得出现代人形机器人的技术迭代演进大致经历了4个阶段，分别是全尺寸机初步行走阶段、系统高度集成阶段、强复合运动能力突破阶段和产业化落地阶段。
全尺寸机初步行走阶段的人形机器人以1973年日本早稻田大学研制出的WABOT-1 （见图1-5）为代表。1972年，机器人学者武科布拉托维奇（Vukobratovic）等提出了零力矩点（Zero Moment Piont，ZMP）的概念，并研究了基于零力矩点的双足步行控制方法，为双足稳定行动提供了重要理论基础。WABOT-1之所以叫全尺寸人形机器人，是因为WABOT-1不仅“四肢”健全，还装配齐全。“他”高大威猛，高约2米，重达160千克，拥有仿人双手和双腿，全身共26个关节，配备视觉系统、语音交互系统和肢体控制系统，胸部装有两个摄像头，手部装有触觉传感器。重要的是，该机器人实现了双足行走，尽管其运动能力仅相当于一岁多的婴儿，但其标志人类已初步实现全尺寸人形机器人双足行走，意义非凡。WABOT-1的主要创造者加藤一郎也因此获得“世界仿人机器人之父”的美誉。在这个阶段，人形机器人主要实现了简单的结构驱动，是机器人技术从理论走向实践的初步尝试。虽然这些机器人功能简单，但它们为后续的技术发展奠定了基础。
图1-5 WABOT-1人形机器人
系统高度集成阶段的人形机器人以由本田公司研发的人形机器人等为代表。随着计算机技术和传感器技术的快速发展，人形机器人在系统集成和智能化方面取得了显著进步。机器人系统集成是一个全面融合各种与机器人紧密相关的技术、设备和软件的综合性过程。在此过程中，研发者需细致考量机器人的多个维度的特性，包括其机械构造的合理性、电机控制的精准性、传感器感知的敏锐性以及软件算法的高效性。高精度谐波传动高性能交/直流伺服电机与驱动控制技术的发展，以及高档单片机、直流伺服驱动控制器与产品、网络、铝/镁合金轻质材料铸造等技术的发展，使质量轻、整体刚度好的仿人机器人集成化设计与制造成为可能。日本本田公司在2000年推出了人形机器人ASIMO （见图1-6），第一代ASIMO可实现26自由度，它不仅实现了连续动态行走，达到每小时0～9千米的行走速度，还具备预测下一个动作并提前改变自身重心的能力，从而实现实时调整步幅、行走速度，以及绕过障碍物等功能。此外，人形机器人在人机交互、语音识别、图像识别等方面也取得了重要突破，能够更好地适应复杂环境和任务需求。这些功能的实现依赖于机器人技术的高度集成化，包括感知、决策、执行等多个方面的技术进步，展示了机器人技术在实用性方面的巨大进步，并为机器人技术的广泛应用奠定了基础。
图1-6 ASIMO机器人
强复合运动能力突破阶段的人形机器人的突出代表为由美国波士顿动力公司开发的机器人Atlas。在古希腊神话里，Atlas是撑起了天空的泰坦巨神。Atlas机器人以卓越的运动能力著称。2009年，Atlas原型机问世，2013年，第一代Atlas公开亮相（见图1-7）。Atlas身高约1.8米，体重约150千克，身体由铝制材料和碳纤维复合材料构成，是一种全地形人形机器人。Atlas可在复杂障碍环境条件下做出翻滚、小跑、跳跃、三级跳等一系列高难度动作，是一位十足的“跑酷达人”。Atlas采用了先进的液压驱动电液混合系统，该系统融合了光学雷达、激光测距仪以及飞行时间（Time of Flight，TOF）深度传感器等多种尖端设备的功能。经过数次精心优化，现今的Atlas借助三原色（Red Green Blue，RGB）摄像头与TOF深度传感器实时捕获环境数据，并凭借模型预测控制器技术，实现对动作的精准追踪、力量分配以及姿态调整的优化。这些功能的实现依赖于机器人技术的智能化和自主化程度的提高，以及深度学习、计算机视觉等先进技术的应用，展示了机器人技术在智能化和自主化方面的巨大成就，并预示机器人技术将在未来发挥更加重要的作用。
图1-7 Atlas机器人
如今，虽然特斯拉汽车和马斯克可谓声名远播，但很多人并不知道，特斯拉的机器人也很厉害。特斯拉推出的Optimus机器人无疑是目前人形机器人领域的佼佼者。用马斯克的话说，自动驾驶的本质其实就是机器人。Optimus之所以引人注目，不仅在于它精准的动作控制、出色的导航能力，以及能够基于人类动作范例进行高效的模仿学习，更在于它与特斯拉的自动驾驶汽车之间深厚的技术纽带。Optimus与特斯拉的自动驾驶汽车共享相同的“神经网络”，二者均搭载了前沿的完全自动驾驶（Full Self-Driving，FSD）系统。该系统集成了先进的传感器、高性能的计算机、尖端的人工智能技术和算法，以及详尽的导航和地图数据，使得自动驾驶汽车和机器人都能在各种环境中实现精准感知、快速决策和高效行动。特斯拉凭借其在汽车领域深厚的技术积累、强大的品牌影响力和广泛的市场布局，将汽车技术的通用性能力，特别是数据和技术开发方面的突破，成功迁移至Optimus机器人上。从长远来看，这种数据和技术的迁移有望大幅降低人形机器人的制造成本，推动该领域的快速发展。目前，产业化落地阶段尚处于发展前期，人形机器人的产业化落地是一个长期的过程。
归纳来说，人形机器人的技术迭代演进是一个充满创新与突破的过程，涉及多个学科领域的交叉融合。从人形机器人发展过程可以清晰看出，该领域一直朝着高度集成、感知环境、运动自如、精细操作、产业量化的方向迈进。每个阶段都有其独特的技术特点和意义，都为人形机器人的进一步发展和应用奠定了基础。我们有望在未来看到更加先进和智能的人形机器人，它们将为人类带来更多的便利。
