一、人形机器人双足设计的重要性

人形机器人双足设计的重要性不言而喻。它能够适应人类生活环境，拥有人类的外形和行走能力，在人机交互方面具有天然优势。双足机器人可以在不平坦的地面上行走，上台阶等人类习以为常的动作对于它们来说也并非难事。这使得它们能够在各种复杂的环境中执行任务，无论是在恶劣的工业环境中进行危险作业，还是在医疗、家政等民生领域提供服务，都能发挥巨大的作用。

双足机器人的交互性是其一大优势。人形机器人整体外形上的特征能够让我们在一定程度上减少与机器人交互的代差。例如，现在的非人形机器人在交互时可能会出现一些奇怪的情况，比如叫一个音箱需要叫两遍它才能响应，而双足机器人的外形更接近人类，可以与人类进行更加自然和亲切的交流。

适应性也是双足机器人的重要特点。长了两条腿的双足机器人可以像人类一样行走，对于整个人类社会的适应性更强。如果未来的双足机器人有更成熟的产品，那它服务的场景可以得到大大的延伸。相比其他机器人，双足机器人上台阶不需要采取特殊手段，能够更好地适应人类的生活环境。

替代性方面，由于机器人可以进入到我们工作、生活的方方面面场景，所以双足机器人的替代性可以延展到生活服务、工作的各个领域。这是一个很容易得出的结论，随着技术的不断发展，双足机器人有望将人类从繁琐、高危的工作中解放出来。

环保性方面，人形机器人未来必须能够脱离电源使用，降低能耗。虽然人形机器人可能很难承担一些重载的工作，但在服务场景中不存在这样的需求。双足机器人可以在不消耗大量能源的情况下完成各种任务，为环保做出贡献。

应用性上，人形机器人对于空间的需求和场景定制化的需求很小。即使做到像北京威震天那样大，也不会占用过多空间。这使得双足机器人在各种场景中的应用更加灵活，不需要对环境进行大规模改造。

总之，人形机器人双足设计在适应人类生活环境、人机交互、替代人类工作、环保以及应用灵活性等方面具有重要意义，将为人类的未来生活带来巨大的改变。

二、人形机器人双足设计的难点

1. 运动控制复杂

人形机器人的双足设计在运动控制方面面临着极大的挑战。双足设计意味着在保持一定速度向前移动的同时还需要保持平衡，这涉及到感知、定位、实时决策等一系列复杂过程。从 A 点到 B 点的移动，首先需要机器人对环境有一定感知能力，从而规划出一条合理的路线。例如，利用先进的传感器技术，机器人可以获取周围环境的信息，包括地形、障碍物等，为路径规划提供依据。使用运动控制算法测算出合理的 “关节” 力量配比也是关键环节，这需要精确的计算和不断的调试。当机器人开始移动时还需要 “关节” 能够快速响应，准确地完成预期动作。几乎每一个环节都关系到不止一项复杂的核心技术，如伺服驱动器技术、运动控制技术、人工智能感知技术、机器人定位及导航技术等。像优必选科技的大型人形机器人 Walker，搭载了高性能伺服关节和多维力觉、多目立体视觉、全向听觉和惯性、测距等全方位感知系统，能够在复杂场景下平稳快速行走，这背后是天价资金和科研成果的 “堆积”。

2. 通过性仍需提高

目前人形机器人的通过性仍有很大的提升空间。人形机器人面对的场景不能过于复杂，离实现理想中的期望还有距离，目前只有一部分的通过性得到了解决。例如，一位不愿具名的机器人公司高管表示，人形机器人在面对复杂环境时，其表现仍不尽如人意。人形机器人实现双足行走最大的难点在于运动控制，通过性是机器人的基础，但对人形机器人来说技术难度依然非常高。尽管人形机器人在某些方面已经取得了一定的进展，如优必选科技的 Walker 可以自适应斜坡，在上、下楼梯以及不平稳的地面等复杂场景下也可以平稳快速行走，但整体而言，人形机器人在面对更加复杂多变的环境时，还需要进一步提高其通过性。

三、人形机器人双足设计的优势

1. 行走能力强

人形机器人的双足设计赋予了其强大的行走能力。无论是在平坦的地面还是不平坦的地形上，双足机器人都能展现出出色的适应性。例如，中国首个成功在野外徒步的双足机器人「逐际动力双足机器人 P1」，在完全陌生的野外环境中，基于强化学习，完成了零样本、无保护、全开放的徒步测试。它在复杂地形上展现出惊人的控制力和稳定性，高动态完成了一系列挑战性移动任务。双足机器人能够在蔓藤缠绕的斜坡、狭窄沟渠、崎岖山路上稳步行走，应对各种突发状况和不确定因素，展现出极强的环境适应能力。这种行走能力使得人形机器人能够扩大应用范围，轻松应对各种挑战，无论是在恶劣的自然环境中进行探险任务，还是在复杂的工业环境中执行危险作业。

2. 人机交互自然

人形机器人拥有类似人类的外形和动作，这使得它们可以与人类进行更加自然和亲切的交流。例如，乐聚机器人 CPO 柯真东提到，人形机器人整体外形上的特征能够让我们在一定程度上减少与机器人交互的代差。双足机器人的外形更接近人类，可以像人类一样行走、做出各种动作，更容易被人类接受和理解。这种自然的人机交互方式可以应用于多个领域，如教育、医疗、家政服务等，为人类提供更加便捷、高效的服务。

3. 替代性广泛

人形机器人可以进入到工作、生活的方方面面场景，替代人类完成各种任务。由于机器人可以进入到我们工作、生活的方方面面场景，所以双足机器人的替代性可以延展到生活服务、工作的各个领域。例如，在老龄化时代，老年人看护已经是刚需，智孝工业发布的养老护理机器人 “光华一号” 采用了双足设计，主要功能就是把老人从床上扶起来、搀扶老人到厕所。在汽车生产线中，当需要进入车内安装零部件、检查车内细节时，双足机器人比轮式机器人更加灵活，能够更好地完成任务。

4. 环保节能

未来人形机器人能耗低，可脱离电源使用。人形机器人必须是要能够脱离电源使用的未来产品，其能耗要做到非常低。虽然人形机器人可能很难承担一些重载的工作，但在服务场景中不存在这样的需求。例如，双足机器人可以在不消耗大量能源的情况下完成各种任务，为环保做出贡献。北京人形机器人创新中心申请的 “腿部机构及双足机器人” 专利，能减少末端重量，从而减小腿部惯量、降低功耗。

5. 应用性强

人形机器人对空间和场景定制化需求小，可在不同领域发挥作用。人形机器人对于空间的需求和场景定制化的需求很小，即使做到像北京威震天那样大，也不会占用过多空间。这使得双足机器人在各种场景中的应用更加灵活，不需要对环境进行大规模改造。例如，在教育领域，双足机器人可以作为教学工具，帮助学生更好地理解编程和人工智能技术；在科研领域，双足机器人可以作为实验平台，进行各种复杂的算法验证和研究。双足机器人的多形态设计，如逐际动力发布的首款多形态双足机器人 TRON 1，采用 “三合一” 模块化足端设计，配备双点足、双足和双轮足三种足端，可以根据不同的使用场景进行快速装卸、自由组合，满足不同科研需求。

四、人形机器人双足设计的关键技术

1. MEMS IMU 技术

MEMS IMU（微机电系统惯性测量单元）具有小型化、轻量化、易于批量化生产的优势，已逐步成为惯性传感器领域主流技术趋势，为人形机器人惯性器件应用奠定了基础。与光纤、激光等其他技术路线相比，MEMS IMU 在产品体积、重量和价格方面具有明显优势。例如，芯动联科的陀螺仪 33 系列性能接近 Honeywell 激光陀螺仪 HG5700 型号和 Emcore 光纤陀螺仪 EG1300 型号，但体积、重量和价格数据明显偏低。

MEMS IMU 产品性能持续提升，已逐步渗透至光学 IMU 的优势领域。在消费电子领域，单个 IMU 配备辅助 SPI 接口可以实现手机定位算法功能，替代了过去采用加速度计与磁力计结合实现的应用。在汽车电子领域，由于 IMU 集成了多种 MEMS 惯性传感器的功能，且在功耗、尺寸和信号处理上更有优势，将被更多地用于主动转向、翻滚检测、ESC 以保障 ADAS/AV 高度自动化和完全自动化驾驶，从而对独立的 MEMS 惯性传感器进行替代。考虑到人形机器人与汽车有一定的技术同源性，并且未来批量化应用会产生制造端平台化、模块化的诉求，具有高度集成化特征的 MEMS IMU 更加契合人形机器人行业发展大势。

2. 平台技术

人形机器人平台技术包含行走与驱动系统、操纵与作业系统、感知与控制系统三大模块。平台整体集成了 “视、听、触、嗅、动” 五感融合设计，使人形机器人能感知周围环境，实现从头部到手部、臂部、腿部、腰部和踝部的全尺寸设计。例如，“青龙” 人形机器人全身集成了 43 个主动自由度，关节模组搭载了 10 种、31 个关节，最大关节扭矩达到 396Nm，峰值扭矩密度实现了 200Nm/kg，用以实现高强度动力输出。其腿部系统追求轻量化、高刚度和低惯量，搭载了高扭矩密度的轴向电机，保障在复杂地形中的稳态行走能力。上肢配备了 7 自由度的机械臂与集成触觉感知的五指灵巧手，为完成精细操作和复杂任务提供硬件基础。同时，“青龙” 搭载了有能量回收系统和输出稳压管理的电源系统，可以支持其在复杂工况下持续运行 3 小时至 4 小时，还搭载了算力可达 400TOPS 的控制器和丰富的外部接口，用以满足人形机器人产品以及常规外部设备的使用要求。

3. 具身大脑 + 小脑模型

人形机器人拥有 “朱雀” 具身大脑和 “玄武” 小脑模型。“朱雀” 具身大脑是一个以多模态大模型为核心的机器人指挥调度中心，利用多模态大模型的感知能力、任务理解能力、记忆能力以及规划能力，帮助机器人完成任务。输入方式是文字和图像信息，支持语音交互，最终将任务决策信息输出给 “玄武” 小脑模型。在当前发布版本中，“朱雀” 具身大脑共集成 3 个大模型，分别是科大讯飞星火大模型、上海人工智能实验室书生・浦语大模型、上海人工智能实验室书生・万象多模态大模型。“玄武” 小脑模型是任务执行模型，分为轨迹规划模块和运动控制器两个部分。例如，乐聚人形机器人 “夸父” 搭载华为旗下的盘古具身智能大模型，实现全方位视觉感知、跳跃、多地形行走等能力；达闼人形机器人 XR4 搭载其自研的多模态大模型 RobotGPT，具备多模态融合感知、认知、决策和行为生成能力。

五、如何优化人形机器人双足设计

1. 腿部设计原则

人形机器人的腿部设计应遵循高总质心、低惯量、低质量、高刚性的准则，以提高机器人腿部的高动态响应能力。具体来说，提高机器人总质心可以减少横向摆动，增加机器人在较高行走速度下的稳定性。传统双足机器人质量较大部分集中在腿部，电机和减速器占整体质量约 40%，导致总质心处于较低位置。在总高和质量不变的情况下，提高总质心能减少横向摆动。降低腿部惯量和质量，一方面有利于提高机器人的行走速度和行走稳定性，另一方面能降低腿部能量消耗。如果机器人腿部刚性不足，会导致足部过早接触地面，影响高速行走稳定性，且高刚性腿部设计的模型误差更低，不容易在动态行走过程中发生变形。

2. 构型分类

人形机器人腿部构型按照生物学模式可分为 “人腿”、“鸟腿” 和合成腿。大多数双足机器人采用 “人腿” 方案，如 ASIMO、HRP 系列、WALKMAN、Optimus 等。“人腿” 和 “鸟腿” 均为生物启发式腿部构型方案，少数双足机器人采用鸟腿（Cassie 和 Digit）和合成腿（Slider 和 Leo）。按照机构类型，“人腿” 构型可进一步分为串联、并联和串并联混合三种类型。串联机构结构简单、易于控制、工作空间大，但定位精度较低、惯量大、刚度低，动力学性能较差。并联机构能将腿部执行器上移，减小腿部惯量，提高定位精度、刚度和负载能力，但机构复杂程度和控制难度增加。串并联混合机构结合了串联和并联的优势，但机构复杂性和控制难度进一步增加。“人腿” 自由度分布通常为髋关节 3DOF、膝关节 1DOF、踝关节 2DOF，模拟人类下半身运动自由度。

3. 发展趋势

（1）优化腿部构型，提高动态响应能力。目前双足机器人的腿部构型尚未达到人类骨骼肌肉的运动能力水平，需要在腿部构型、硬件和软件方面不断优化，以提高机器人的运动性能和适应性。

（2）引入新机构和材料，提高能效和稳定性。双足机器人的能耗和稳定性有待提高，可引入弹性驱动、柔性关节、智能材料等新机构和材料，提高能效和稳定性。

（3）拓展应用领域，提高实用性和普及性。双足机器人的应用领域目前比较有限，可拓展至恶劣条件、危险场景作业的服务特种领域，3C、汽车等制造业，以及医疗、家政等民生领域，提高实用性和普及性。

六、目前先进的人形机器人双足设计案例

1. 1X 的 NEO Beta

1X Technologies AS 推出的 NEO Beta 是首个宣布主攻家用领域人形机器人的主流厂商。这款机器人身高 1.65 米，体重仅为 29.9 公斤，步行速度可达 4.02 公里每小时，能承受 20 公斤的重量，续航时间为 2 - 4 小时。尺寸和形态与成年人相仿，相比其他品牌人形机器人更具轻量化优势。

NEO Beta 采用了类似于人体肌腱的柔性驱动技术，关节由串联弹性驱动器控制，这种肌腱式驱动方式模仿了人类肌肉的运动，使得机器人更加灵活，也增强了其安全性。弹性驱动系统减少了机器人的刚性，从而在发生碰撞时降低了冲击能量。此外，NEO Beta 穿着连身衣，肌肉部位采用了缓冲插入物，且身上没有尖锐点。

目前，该公司正在挪威莫斯工厂进行批量生产的准备工作。1X 计划在今年晚些时候在特定家庭中进行试点部署，价格努力控制在 “相当于一辆经济型小汽车的水平”。NEO Beta 技术和交互能力优秀，计划 2025 年爬坡量产、2026 年大规模量产。

2. 逐际动力 TRON 1

逐际动力 TRON 1 采用 “三合一” 模块化足端设计，内置高性能运动控制算法。机器人配备三种足端，包括双点足、双足和双轮足。双点足构型最简易，控制简单；双足保持了常见的人形下肢构型，兼具站立和行走能力；双轮足在全地形场景下移动能力更高效。

TRON 1 的多个足端之间可进行快速装卸，供用户适配不同科研目标，进行自由组合。根据足端拆装后的形态变化，TRON 1 能够做到足端自适应识别，进行运控模式自动切换。同时，TRON 1 还搭载了多样化扩展配件，如雷达、机械臂、相机和双光云台等，以满足不同科研需求，抗击打能力强，用脚踹也不倒。

3. 中坚高氪割草机器人

中坚高氪研发的割草机器人已进入量产前准备阶段，具有无边界部署、免干预、高智能化等特点。中坚科技投资了 1X Holding AS 公司，以投资为契机参与人形机器人的发展项目，为中坚高氪的技术发展提供助力。

中坚科技推出的新一代智能割草机器人 UNICUTH1，具有无边界布署、免干预、高智能化等特点，有望于 2024 年年底正式推向市场。同时，公司还发布了工业级四足机器人灵睿 P1，该产品拥有智能化高、通过性强、重负载、长续航等优点，主要应用于巡检、勘察和安防等各类场景。