仿人機器人（Humanoid Robot），又稱擬人機器人，具有類人的感知、決策、行為和互動能力。其有類人的外形外觀、感覺系統、智能思維方式，控制系統和決策能力，最終表現 “行為類人”。
・仿人機器人涉及工程學和控制科學，匯集電子、機械、自動化控制及計算機等領域的研究成果，不是簡單買來零部件組裝就可實現仿人功能。
・仿人機器人按照高度進行分類，可分為大仿人機器人、中小仿人機器人。
仿人機器人研究始於日本，目前進入高動態運動發展階段回顧仿人機器人發展歷程，有三個重要標誌：
・第一階段：以早稻田大學仿人機器人為代表的早期發展階段；
・第二階段：以本田仿人機器人為代表的系統高度集成發展階段；
・第三階段：以波士頓動力公司仿人機器人為代表的的高動態運動發展階段；
日本率先開啟仿人機器人的研究，實現雙足行走
・1971 年，日本早稻田大學的加藤教授推出了基於液壓系統的雙足機器人 WL-3 以及 WL-5，實現了步長 15cm、周期 45s 的靜態步行。
・之後設計的基於電機驅動的 WL-9R 以及 WL-10DR 通過踝關節力矩控制，實現動態行走，單步周期縮短到 1.3s。
・2006 年，加藤一郎的學生高西淳夫教授推出仿人機器人 WABIAN-2R（擁有 41 個自由度的），實現 1.8km/h 的行走，且能適應軟硬不同的地面。
HONDA 推出的 Asimo 代表當時最先進技術水平
・1996 年日本 HONDA 公司研製出第一台仿人機器人 P1，之後推出 P2，可在普通路面行走，後續推出 P3。
・2000 年 11 月 12 日，發布最具代表性的基於電機控制的雙足機器人 Asimo，高 120cm，重 52kg，步行速度 0~1.6km/h。
・第三代 ASIMO 機器人於 2011 年發布，步速可達 9km/h，可以上下台階、單腿踢足球和單腿跳躍，行走步幅可連續調整，
自由度數目達到 57 個，基本可適應固定環境的服務機器人應用場景。
Cassie 體現新型驅動設計，豐富驅動技術路線
・1997 年，密歇根大學的 Grizzle 等人研製了欠驅動雙足機器人 RABBIT，其可實現無腳動態行走。
・基於 RABBIT，相機研發了 MEBAL，MARLO，ATRIAS 一系列欠驅動行走機器人，實現了三維欠驅動的行走。
・2017 年發布機器人 Cassie，售價約 7 萬美元，其驅動電機位置較高，在腿部加入彈簧，實現高效步態，同時能靜止站在原地。
・2022 年，在 Cassie 基礎上推出 Digit，具有穩健的步行和跑步步態，具備爬樓梯、自主導航的感知能力，可應用於搬運包裹。
資料來源：知網，浙江大學，1997 年，密歇根大學的 Grizzle 等人研製了欠驅動雙足機器人 RABBIT
HRP 系列機器人可實現穩定行走，並與人合作
・1998 年，日本產業技術綜合研究院開始主導的 HRP 系列計劃，該計劃旨在開發 “在人類作業、生活環境中的與人協調、共存，
能夠完成複雜作業任務的仿人機器人系統”
・HRP-2、HRP-3 能夠穩定行走，完成多種靈巧的運動（如日本舞蹈），與人合作抬物品，跨越障礙物，從地面搬起物體，跌倒時能夠保護自己並重新站起來等。
資料來源：公司官網，浙江大學，中信建投圖、日本產業技術綜合研究院推出 HRP 系統雙足機器人
Atlas 使用自主設計的液壓驅動系統，運動能力全球第一
・波士頓動力公司在美國國防部先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）的資助下研發出了液壓驅動的四足機器人 BigDog 第一代樣機。
・2009 年 10 月，波士頓動力公司發布 PETMAN ，作為美國實驗防護服裝設計的軍事設備，具有強大的自平衡能力和運動性能，
可在受到外部環境干擾下及時調整步態，保持平衡。
・Atlas 從 2013 年發布至今已經迭代了三個大版本，其全地形的適應能力代表目前最高水平。
IIT 推出 WALK-MAN，在歐洲具有影響力
・IIT 推出的 WALK-MAN 消防機器人，加入力控形成有力矩控制的手關節，但犧牲了機器人的部分剛性。
・2008 年，IIT 製造了開源仿人機器人 iCub，用以研究感知學習與人機交互，具備非常好的人機交互性。其參照三歲半兒童的體型設計，身高 1 米，共有 53 個自由度，能夠進行行走以及單腿平衡。
・2012 年，研製了雙足機器人 COMAN，其前向平面內關節均採用 SEA 驅動
瑞士研究機構運用被動柔性，進一步提升跳躍與地形適應能力
・2011 年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院機器人與智能系統研究所下屬的機器人系統實驗室，基於 SEA 關節研製了單腿機器人 ScarlETH，運用機器人的被動柔性，實現了高能效的跳躍與地形適應能力。
・基於此研製出了一款電機驅動的四足機器人 StarlETH 以及 ANYmal。
HUBO 獲得 DRC 比賽第一名，推動亞洲研究發展
・韓國先進科學研究院 (KAIST) 的雙足機器人 HUBO 憑藉其輪式與足式混合運動方式，獲得 2015 年的 DRC 比賽第一名。
・在 Rainbow Robotics 的幫助下，HUBO2 成為了全球第一個商業化的人形機器人平台。它被世界領先的研究機構（麻省理工學院、谷歌等）購買作為研究平台。
・“HUBO2” 機器人直膝每小時行走 1.4km，奔跑速度達到 3.6km/h。
HUBO 憑藉其輪式與足式混合運動方式，獲得 2015 年的 DRC 比賽第一名。
東京大學推出 Schaft 新版，降低成本和能耗
・2013 年，被 google 收購的東京大學仿人機器人團隊 Schaft 在 DRC2013 年的比賽中獲得冠軍，其身高 1480mm，體重 95kg，
臂展 1309mm，具有行走，爬樓梯等功能。
・2016 年發布了低成本低能耗的新型仿人機器人，能夠負載 66 千克
小型仿人機器人研發如火如荼，豐富擴大應用場景
・法國的 Aldebaran Robotics 公司推出 NAO 典型機器人，銷量達一萬多台，公司一直堅持商業化的路徑，與波士頓動力，
Asimo 有很大的差異，後來被日本的軟銀收購。後續推出 Pepper，Romeo 機器人。
・在高度小於 50 厘米的小型雙足機器人，韓國 Robotis 公司的 Darwin-OP 機器人比較出名，可穩定行走與顏色識別。
・韓國 Hitec 公司推出 Robonova-1，國內樂聚（深圳）機器人分公司推出”Aleos“機器人。
國內仿人機器人研究起步較晚，多以高校和研究機構為主
・清華大學、浙江大學、上海交通大學、北京理工大學、中科院等高校或研究機構也相繼開展仿人機器人的研究。
・國防科大起步較早，2000 年研製 “先行者”，2003 年研發 Blackman，身高 1.55m，重 63.5kg，共 36 個自由度，最快步行速度
可以達到 1km/h，在機器人轉彎、不平整地面上行走等方面研究深入。
・2002 年，清華研製 THBIP-I 機器人，高 1.7m，重 130kg，能夠實現穩定步行、上下台階；
・2022 年，北京理工推出匯童 “BHR-1”，首次實現無外接電纜獨立行走；2005 年 BHR-2 突破穩定行走、複雜運動規劃等關節技術。
圖、國內仿人機器人研製起步較晚，以高校和軍工研究為主
國內已推出多款機器人，在 “仿人” 方面取得巨大進步
・2017 年北京理工研製 BHR-6 實現國際首創的摔倒保護、翻滾、行走、奔跑、跳躍等模態運動及轉換功能，摔倒後可重新站立。
・浙江大學研製 “悟空 “，開展以打乒乓球為例的環境感知與全身協調作業研究，實現仿人機器人打乒乓球的演示驗證。
・中國科學院合肥物質科學研究院研製的仿人機器人已實現行走、作業等功能，並報名參加 2013 年 DARPA 機器人挑戰賽。
圖、國內仿人機器人研製起步較晚，以高校和軍工研究為主
・國內外的研究者對仿人機器人進行了大量的研究
一個普通成年人一般具有 206 塊骨骼和近
230 個關節，構成由 630 肌肉控制的 244
個自由度。
・如果對人體精確建模，工作將極其複雜，Hanavan 提出將人體模型簡化，通常分
為 15 個部分，對應人體的頭部、胸部、大臂、小臂、手、大腿、小腿及腳部。
・仿人機器人是一種具有高自由度、強非線性的動力學系統，通常採用多剛體動力學系統和仿真數值計算結合的方法進行動力學和運動學分析。
・在機器人運動分析中，包含動力學分析和運動學分析，其中運動學分為正運動學和逆運動學。
仿人機器人不僅具有人體的部分外形，如上肢、頭部等，同時應具備人類的下
肢結構和類人的雙足步行能力。
・在仿生機構設計過程中，首先根據目標規格，決定自由度的構成，決定關節類
型及數量，在結構上通常由多個單自由度的旋轉關節構成。
・通常使用傳感器完模擬人對環境的感知，例如機器視覺、壓力傳感器、觸摸傳感
器、定向麥克風，聲納測距儀等。
・NAO 機器人共有 25 個驅動電機、2 個攝像頭、9 個觸摸傳感器、4 個定向麥克風、
8 個壓力傳感器、2 套紅外接收器發生器以及聲納測距儀等。
關節驅動路線一：液壓驅動力大，爆發力強
・優點：輸出功率大，不需要減速器，力量大，爆發力強，可承受機械衝擊和損傷的能力強。
・缺點：液壓系統易漏油，體積大，噪聲大，功耗高，必須配置液壓源
關節驅動路線二：電機驅動最傳統，結構簡單應用廣
・優點：結構簡單，位置伺服精確
・缺點：力矩伺服差，傳動損耗高，爆發力不如液壓驅動
關節驅動路線二：電機驅動 + 柔性軟件，提升能量儲存循環能力
・優點：力矩精度高，被動柔性，可實現能量儲存循環
・缺點：位置伺服差，響應帶寬有限
關節驅動路線二：電機直驅方案實現位置精度高，響應速度快
・優點：力矩精度高，位置精度高，響應速度快
・缺點：電機需要特製，電機體積大
關節驅動路線三：氣動驅動質量輕，價格低，但控制精度不高
・優點：氣動人工肌肉質量輕、價格低、易維護，與汽缸相比，具有較大的功率體積比和功率質量比。
・缺點：控制精度不高。工作效率較低，工作速度穩定性差
三種驅動方式各有特點，電機驅動最傳統，液壓驅動最昂貴
・液壓、电機和氣動驅動方式各有特點，其中電機驅動最為傳統，技術進步迭代速度快，全球應用範圍廣；液壓驅動難度高，液
壓閥難度極高，系統成本非常昂貴，機器人運動性能最優秀；氣動驅動性能介於液壓和電機直接，目前應用相對較少。
平衡控制直接影響行走性能，通常公司自主研發核心控制算法
・機器人狀態估計的核心問題包含：傳感器的選擇與佈置，傳感器數據的標定，機器人本體的建模，多傳感器數據融合。
・控制器的設計選擇中，通常根據自身狀態與機器人模型，進行控制策略的選擇，再執行控制指令。控制器的設計是機器人設計
中最核心的部分。
要實現良好的人機交互性能，算法、AI 技術、傳感器都不可少
・在基於環境感知的運動規劃與交互設計中，需要對環境有良好的的認知和理解，對可行區域進行計算，合理選擇接觸點（例如
雙足、雙手或手腳並用），以及步長的選擇與模型的優化。
圖、複雜場景的應用需要仿人機器人具備良好的交互功能
仿人機器人電池：從有限的性能指標估計電池組的基本參數
・波士頓動力機器人 Atlas 的最大功率 5kW，機器人整體質量 80kg。以搭載的 48V 鋰離子電池組重 5-10kg，質量能量密度 200
250Wh/kg，體積能量密度 500Wh/L 估算，該電池組的放電倍率 2C-5C，體積 2-5L，質量功率密度 0.5-1kW/kg，體積功率密
度 1-2.5kW/L。
・根據質量能量密度、質量功率密度兩個指標的性能範圍，我們估計 Atlas 使用的電池組類似於高性能動力電池組。
圖、不同類型鋰電池的能量、功率密度示意
動力電池最新進展：CTP3.0 “麒麟電池” 呼之欲出
・根據寧德時代官網，採用 CTP3.0 技術的 “麒麟電池” 可實現 255Wh/kg（三元）或 160Wh/kg（鐵鋰）的質量能量密度、72%
的體積利用率、4C 快充、5 分鐘熱啟動及安全無熱擴散的多項性能指標。
圖、寧德時代 “麒麟電池” 的關鍵性能指標
展望未來：仿人機器人電池材料需求方向是什麼
・可以看出，仿人機器人對放電倍率、循環壽命要求不高，但對質量、體積能量密度要求高，且對快充能力有潛在要求。
・所以，具備高能量密度，最好兼顧快充能力的電池及電池材料是仿人機器人電池的需求方向。
・隸屬層狀氧化物正極的高鎳 / 中鎳高電壓三元正極是當前的優選，未來富鋰錳基正極可能也會占據一席之地。
圖、不同類型層狀氧化物正極材料的初始循環容量 - 電壓特性
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