本文从国内外大型仿人机器人的研究现状出发，深入阐述了机器人、关节运动特点、伺服驱动、减速器、模拟平台等方面的未来发展趋势。
仿人机器人主要由机械、控制和传感三部分组成。机械部分是其他部分的基础，就像建筑一样，类似于基础或每一块砖。
机械部分可分为两个子系统，一个是驱动系统，另一个是机械系统。驱动可以理解为机器人的关节，以及如何让机器人移动。机械部分连接到关节之间，包括如何携带这些传感器。如果按部分划分，机器人可分为头部、胸部、手臂、手、腿和脚，上图显示Walker机器人的外观图。
关节的数量和位置分布是机械部件的关键之一。关节的数量和布局都与整个机器人的形状密切相关。我们知道人体有206块骨头，78个大关节，6种主要关节类型。仿人机器人是模拟人类关节和骨骼结构的机器人。通常有15-70个关节，通常有三种类型的关节。这三个主要包括前向、侧摆和旋转。现有仿人机器人头部一般有1-3个自由度，即1-3个关节，手臂一般有4-7个关节，人手有21个关节，仿人机器人手通常有2-13个关节点，仿人机器人腿部一般有6-7个关节，使用6个关节。
上图显示了早稻田大学WABIAN-2R机器人，这个机器人的特点是，除了正常的6个自由度外，整个腿的另一个自由度是小腿的旋转自由度，这样机器人就可以模拟人类的步态，实现整个机器人的节能。此外，传统机器人的腰部可以分解为三个自由度，但腰部有四个自由度，使机器人在步态时能够直腿行走。我们可以看到许多传统的机器人膝盖弯曲，膝盖弯曲，腿部并联。
在整个机器人的设计过程中，除了整个腿部结构的强度外，还要注意刚度。WABIAN-2R机器人最快的步行速度是1.8km/h。此外，它的脚也做了一些创新。它的脚分为前脚和后脚。它的脚不是一体的。它之间增加了被动关节。通过这种设计，可以实现64%的节能。此外，脚分为前脚和后脚后，可以实现原地转向。
第二个是慕尼黑工业大学LOLA机器人，LOLA根据设计目标，机器人在大腿上做了四种设计：最小的惯性和最轻的质量k4方案，此外，它还在小腿上做了多个方案，最后选择了最好的方案。
下面介绍LOLA机器人小腿踝关节的驱动模式将整个电机放置在大腿上端，在上图序号5对应的位置，然后通过驱动传输到膝盖，然后向下传输。通过行星滚柱丝杠机构，用这种传输方式代替传统的滚珠丝杠，比传统方式重量轻。这样，他把小腿和脚踝的关节驱动器移到大腿上，膝盖也移到大腿上。整个腿的重量比较轻，然后转动量比较小。这个机器人最快的行驶速度是3.6km/h。
第3个机器人是来自韩国科技研究院的DRC-HUBO机器人。2005年开始研究机器人，迭代后开始速度为1km/h，后来慢慢做1.5km/h。2015年为了DARPA在机器人挑战赛中，机器人进行了改装，增加了另一种轮式运动方式。这样，机器人有两种运动方式，一种是步行，另一种是轮式，最终在2015年获得DARPA机器人挑战赛冠军。轮式速度是行走速度的两倍。
DURUS机器人是佐治亚理工学院2016年推出的机器人。这个机器人有自己的特点。过去，许多机器人使用谐波减速器。该机器人采用摆线针轮减速器的传动方式。他将踝关节的两个关节驱动系统向膝盖移动，并增加了被动弹簧，可以实现柔性储能或缓冲一些冲击。同时，它也是机械设计与控制工程师的联合工作，通过多轮迭代优化，从450实现自身的关节扭矩Nm降到150Nm的需求。
最后一个机器人来自俄勒冈州立大学的团队，后来创业， Digit机器人在整个机构类型上有自己的特点。它参考仿生学，模拟鸟类整个腿部的结构。从上图可以看出，这些双脚鸟腿都很细。此外，如果他们踩在不均匀或凹陷的地方，他们可以有很强的调整能力，这也是模仿学习的地方。让我们来看看他们制造的机器人的形状特征。首先，将踝关节驱动器移动到膝关节下方，将整个膝关节驱动器移动到大腿，增加连杆结构，促进SEA，另外，他在髋关节前做了一个关节PEA结构实现了一些关节的柔软性，减少了地面冲击和储能。他自己的弹性结构是由玻璃纤维板制成的，目前机器人的最快速度是5km/h，也是比较快的机器人。
上图是哈工大的机器人，GOROBOT最初的设计是一个猿类机器人。当时，他们承担了国家863计划，然后制作了一个机器人。它的突出特点是头部有更多的自由，有23个自由。其他方面的自由布局与传统没有太大区别。
汇通机器人由北京理工大学制造。他们还承担了国家863计划。2005年这一代的数据是身高1.65m，重65公斤，自由度是 32，行走速度为1.2km/h。汇童6P机器人可以实现跌倒、爬起、滚动、行走和爬行的能力。
以上讨论了国外和国内对整个机械结构类型的研究。事实上，我们总结了三点。首先，整个机器人结构对机器人的性能有非常重要的影响DRC-HUBO机器人有两种锻炼方式，一种是步行，另一种是轮式。轮式是步行速度的两倍，这样他就可以在比赛中争取更多的时间，最终赢得冠军。另外还有LOLA机器人在小腿和大腿上的构型做了很多方案，最终选择一个最优方案，最终目的是通过构型的组合方式改变整个机器人的运行性能。
第二点是降低仿人机器人的整个腿部重量和惯性，有助于提高运动性能。如果膝盖以下的旋转量越小，快速行走所需的力就越小，因为快速行走本身就有加速度，惯性越小，扭矩就越小。我们可以看到 Digit机器人向上移动整个踝关节的驱动器和整个膝关节的驱动器，最终大大提高了速度。
最后一点是增加腿部弹性机构可以减少仿人机器人的行走冲击和储能，包括许多机器人DURUS机器人和Digit机器人。如果只是电驱动，其功率密度是有限的。从目前的研究来看，电力密度与人体肌肉的功率密度比仍有差距。因此，要增加弹性机构，提高整个电驱动模式的输出能力，减少地面冲击。
一般来说，整个伺服驱动器与整个机构类型有两种关系。一种是整个伺服驱动器作为一个独立的模块，可以单独测试和组装，然后与整个机器的结构连接。另一种方法是将伺服驱动器的结构与整机结构相结合。伺服驱动器本身不能单独测试，只能与整机结合测试。就像伺服驱动器独立一样，有很多机器人使用这个方案，比如德国宇航局TORO，我们现在做的Walker这是目前的计划。第二种方案，如上述一些国外研究：LOLA机器人和Digit这基本上是机器人的解决方案。
这是一个关键点。我们模仿机器人的核心想法是，机器人在某些特定场合代替或帮助人们做某事。我们应该知道人们的关节和肌肉是如何工作的。首先，看看关节运动的特点，一是运动速度快，机动性好，因为人类关节的步幅和步频发生了变化，另一个是人脚位置也离散和高速碰撞，如何满足关节运动的特点，即整个关节设计实现短期大功率和高能利用效率，缓解冲击。
为此，提出了弹性驱动机的概念，其基础来自Hill肌肉三元素力模型主要由三图三部分组成CE肌肉收缩单元，SE是串联单元，PE是并联单元。它有两种组合形式，一种是 PS肌肉模型，一个是SP肌肉模型，这两种模型最终转换为右式，第一种是传统的刚性驱动器，可以理解为电机 减速器 编码器形成刚性驱动器。第二种是传统的驱动器 弹性单元，然后连接负载，即SEA串联驱动器，图c是传统驱动器外并联的弹性单元，即PEA。d图显示了在SEA在此基础上增加了离合器，弹性单元可以工作或不工作，可以控制。最后，e图和f图是上述三种组合形式。以人体肌肉模型为基础的弹性驱动器已成为近年来研究的热点，许多大学和研究机构对此进行了大量研究。
以下是仿人机器人的主要伺服驱动类型，主要有三种，一种是传统伺服驱动，另一种是弹性伺服驱动，最后一种是本体伺服驱动。1995年麻省理工学院首次提出弹性伺服驱动，2016年麻省理工学院也提出了本体伺服驱动。
先看三种伺服驱动器的特点，传统的伺服驱动器是无刷电机 高传动比减速器 (高刚性力矩传感器) 高刚性扭矩传感器是输出端的选择；弹性伺服驱动器在高传动比减速器和输出端之间增加弹性；本体伺服驱动器为高扭矩密度电机 低传动比减速器 输出端。本体是指本体感知外力，更直接地说是通过电流反馈外力。最理想的是直接驱动，但现有的电机必须增加减速器，因为它的整体性能不能满足机器人关节的需要，所以本体驱动器是一个妥协。
传统的伺服驱动技术相对成熟，并广泛应用于许多领域。在研究阶段，许多弹性伺服驱动仍集中在大学和研究所。本体伺服驱动的主要应用场合足机器人或小型双足机器人。
对于伺服驱动器的类型，我们做了几代仿人机器人，伺服驱动器也迭代了几代，同时也做了很多优化、测试，们的整个伺服驱动器包括高密度无框力矩电机、双位置编码器、谐波减速器，在整个控制软件和安全监测也做了大量的工作
由左边的图可以看出，Walker头部是有2个自由度，一个是前向，一个是旋转，然后手臂有7个自由度，大臂上有3个自由度，小臂上有4个自由度，手有4个自由度，其中小指和无门指是共用一个自由度，每条腿有6个自由度，类似于右图的结构。目前整个机器人是1.45米，重量是74公斤，自由度一共有36个，最大行走速度为2km/h。
让机器人走进千家万户，是我们公司的一个目标，Walker机器人也承载了我们的很多希望，也投入大量的人力物力去做这件事情，目前也取得不错的效果。下面可以看下在2020年CES上的视频，第二段是在展会现场，机器人快速行走的视频，整个手和腿的动作是相互协调，机器人识别自己的路径、环境，目前最大行走速度是2km/h。
我们做过很多的调研，还有基于原有进行的一些测试，现有的这些传统构型的方式，机器人本身的速度有一个瓶颈，现在做到2km/h，如果做得更快，可能腿部的惯量对机器人的行进速度会有很大的影响。所以，我们做了很多前期的讨论和预研工作，包括现在想把整个踝部、膝盖的驱动器位置都上移，减少整个腿部的惯量。
整个的流程是我们先初步定义每个关节输出需求、转角需求和尺寸规格，然后以此去选择电机、减速器及编码，整个驱动器方案做好之后，再设计整个机器人的构型，整个驱动器设计好之后，再把三维模型放到仿真平台去做仿真，经过几轮迭代，得到一个比较优化的设计。设计和仿真完成之后，再去做实际的真机。
仿人机器人常用的减速器主要有三大类，第一个是精密行星减速器，第二个是谐波减速器，第三个是摆线减速器。从回差角度看，精密行星减速器是3-25弧分，谐波减速器是0.5-2弧分，摆线减速器是1-1.5弧分。目前来看，精密行星减速器大部分用在四足机器人，还有一些大型仿人机器人的手臂和头部。另外，精密行星减速器用在服务机器人的场景和用在传统工业级的场景需求上还有很多不一样。谐波减速器在仿人机器人应用是比较广泛的，同时它还可以用于一些工业机器人、协作机器人上。摆线减速器目前在仿人机器人这方面只有DURUS机器人在用，在传统的工业级机械臂上用的比较广泛。由于整个机器人对整个控制上要求比较高，所以回差是减速器发展的一个非常关键的指标。
目前的精密减速器的标准有GB/T 30819-2014，这是一个机器人用谐波减速器的标准，还有一个标准是 GB/T 35089-2018，是机器人用精密齿轮传动装置实验方法的标准，但是这两个标准都没有对整个精密减速器的回差测试和评价做很详细的说明，只是比较简单说明一下，没有详细说明测试方法和评价方法。但回差又是整个减速器一个非常重要的性能参数，所以2019年由北京工业大学石照耀教授牵头开展《精密减速器回差测试与评价》的制定工作，我们也在参与其中。另外，回差又分为静态和动态，测试方法也不同，所以非常有必要建立一个国家级的标准。
最后看下仿真平台的工作，无论对于任何设计仿真都非常重要，仿真平台可以帮助我们做一些硬件的设计和选型，同时还可以做一些算法的设计验证，还可以对一些场景做模拟和仿真。仿真平台可以缩短整个的研发周期，同时可以降低成本，减少设计的风险。
下面介绍下仿真平台大的思路，整个机械设计和运动算法工程师一起让整个机器人系统做个优化。主要包括3部分，一个是设计变量，一个是限制条件，还有一个目标函数。设计变量包括关节长度、关键结构尺寸、伺服驱动器的选型等，伺服驱动器的选型包括电机，还有整个减速器，它可以有不同的组合；限制条件就是有结构刚度、关节力矩、步态轨迹等，最终的优化目标是整个机器人的总质量最轻，运动性能最好。
上图左部分是在仿真环境Walker走路的视频，在仿真环境里，我们的运动算法和机器人上的算法是一样的。右边是在真机上面的测试，可以看出两个的区别是手臂仿真是没有动的，但腿部的整个步态是一样的。同时，我们也会对整个仿真和真机上的一些关节力矩的曲线去比较，仿真会更好的指导做一些设计和测试。
最后我们来讨论下大型仿人机器人整机构型的未来发展趋势，这是一个比较开放性的话题，总共有三点，第一点是伺服驱动器和整机构型的融合设计，机电和运动控制方面的联合仿真，实现机器人的最优设计。
第二点是引入弹性元件，为电驱动伺服驱动器提供辅助力矩和缓冲地面冲击，目前已经有很多研究机构在做，但还没有一个成熟的商业的机器人应用这种技术，但这确实也是一个发展方向。
最后的一个是仿生学，尤其是仿人机器人，很多设计都是模拟人或动物背后的一些原理，原理上有新的一个构型设计出来。之前有一些机构做青蛙的整个腿部的构型，包括之前说的弹性驱动器，它也是来自人体肌肉的模型。但是这些人体肌肉的研究也会推动整个机器人的机械技术的发展。