天工开物 智破难关

本文转自：北京日报

天工开物 智破难关

——北京人形机器人“天工”如何奔跑起来

本报记者 曹政

日前，北京人形机器人创新中心在北京经开区发布全球首个纯电驱拟人奔跑的全尺寸人形机器人。本报记者 和冠欣摄（资料照片）

明末，宋应星创作了世界上第一部农业和手工业综合性著作——《天工开物》；约400年后，北京人形机器人母平台“天工”发布，实现了全球首例纯电驱全尺寸人形机器人的“拟人奔跑”。

“拟人奔跑”是人形机器人研发面临的世界性难题，但上月底在北京亦庄亮相的“天工”，却是踏着平稳的步伐一路小跑着来到发布会现场。如何以6公里/小时的速度跑起来？记者就此采访了“天工”背后的研发团队。

灵巧关节扛住运动爆发力

“天工”诞生地——北京人形机器人创新中心，研发办公室的布设很简单。一群“80后”“90后”工程师围坐在一张长长的会议桌旁，身边是机器人的各种构件。

物自天生，工开于人。创立之初，北京人形机器人创新中心设定了攻关本体原型、通用大模型、运控系统、操作系统、工具链等五大技术难题。“天工”的亮相，代表了其在本体、运控上的突破。

本体就是机器人的身体。“和人一样，它也要有四肢和肩、肘、髋、膝、踝关节，也要相互配合地动起来。”刘益彰负责本体原型的研发，对“天工”每条胳膊上的3个关节、每条腿上的6个关节都熟稔于心。

与人类不一样，人形机器人的关节里藏着电机、减速器、编码器、控制器四大关键零部件：电机能让关节动起来，同时借助减速器控制转速；编码器用来记录运动的位置，控制器则让关节精准发力。

原理看起来简单，但把这些零部件组合在一起非常困难。“不能太大、太沉，要像人类一样灵巧。拿膝关节为例，其实只有碗口大小。”刘益彰说，机器人的身体部件要尽可能省地儿，但关节也得足够强大，因为跑步时，脚在离地时需要高爆发力，落地时也会产生强大的反作用力。过去5个月，刘益彰带着团队反复优化设计每个关节，改了十几个版本。最终，最大关节重量控制在2公斤左右，最小的只有几百克，同时还保证了扭矩和精度。

“天工”实际上还有一双五指灵巧的手，每根手指的活跃度与人类几乎一样，单手最多可以抓取3公斤重的物体。虽然手上没有皮肤，结构异常坚硬，“天工”依然能灵巧地抓取鸡蛋、并确保蛋壳不破。“这是因为手指上有触觉传感器，抓取触摸到鸡蛋时，机器人自己知道需要用多大力气。”刘益彰解释。

在一次次摔倒中“学”会奔跑

刘益彰带领的本体团队赋予了“天工”躯体，而郭宜劼负责的运控团队教它如何站起来、走起来、跑起来。

运控系统相当于人类的小脑，决定着机器人的四肢如何运动。让机器人跑起来不容易，“拟人奔跑”更是难上加难。奔跑除了考验本体关节能否承受比行走、站立高出数倍的力量冲击，还得确保姿态平稳。

“奔跑时会有一刹那是双脚腾空，没有了支撑就很容易摔倒。”郭宜劼一有空就会到马路上观察路人是如何行走奔跑的，甚至会拍成视频一帧一帧地观察慢动作。人在奔跑时会自动调节四肢和重心，避免摔倒，机器人如何实现运动控制？这一直是人形机器人研发所面临的世界性难题，因此很多机器人都只能缓缓迈步，让人担心随时可能摔倒。

以往，行业对机器人运控一般采取模型预测和强化学习两条路。模型预测就如同按照公式计算结果，难以适应不同的环境，所以团队一开始就选择了强化学习这条路，也就是在仿真世界不断学习和训练。可试了几次，郭宜劼就发现行不通，机器人在运动时身体抖动明显。

如何能让机器人“学习”人类？团队自主研发了运动技能学习方法，让机器人基于对人类奔跑的状态记忆强化模仿学习。形象地说，“天工”在学习奔跑时共分两步：“吸收”人类运动过程中关节变化等各种数据并进行模仿；有了人类数据的指导，它在仿真环境中边跑边摔，在摸索和试错中学习，逐渐成长。最终，它实现了6公里/小时的跑步速度。虽然这个速度还比较慢，比人类步行速度快不了多少，但对人形机器人而言，已经是从走到跑的重大进步。

“如果它跑得不错、更像人类，我们就会在系统中给它一个奖励函数，那它以后就会朝着这个方向努力。”郭宜劼解释，直到今天，“天工”每一天还在学习，不断提升奔跑能力。

大模型将助“天工”更聪明

其实，“天工”爬坡、行走、奔跑时并不能看清周围环境。郭宜劼说，即使看不见它也能如人一样正常运动，正是因为它的训练基础。在仿真环境中，有数千台机器人同时训练，接触不同的台阶、斜坡等地形，这些训练数据最终汇聚到“天工”的“小脑”。

这相当于它集所有人的“功力”于一身，掌握了现实生活中的各种地形情况，当感知到路面情况时便能熟练地做出反应。

拟人奔跑还只是“天工”的处女秀。伴随着研发攻关，未来“天工”将具备更多功能。除了身体、“小脑”之外，创新中心正在解决“大脑”难题，也就是利用通用大模型让人形机器人变得更聪明。届时，人形机器人也将具备“视力”，实现眼、脑、手、脚等的互相配合。

“我们将持续迭代‘天工’，探索通用具身智能平台。”北京人形机器人创新中心总经理熊友军说，目前创新中心正在构建人形机器人规模最大、信息最稠密、最通用的高质量具身智能数据集，并以此为基础不断训练和迭代大模型。未来，通过“天工”平台与大模型的结合，人形机器人将实现长行程任务的规划能力及多场景、复杂任务的执行能力。

记者获悉，“天工”作为人形机器人母平台，具备开源开放性和兼容扩展性，充分满足不同应用场景的需求，其他机器人企业可以避免重复投资和研发，直接采用这一母平台进行更个性化的设计。