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机器人控制器行业研究:人形机器人行动之脑,全球本体厂商必争之地.docx
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机器人控制器行业研究:人形机器
人行动之脑,全球本体厂商必争之
地
1. 控制器:人形机器人之“大脑&小脑”
1.1 控制器:人形机器人核心基础
人形机器人控制器框架通常包括感知、语音交互、运动控制等层面。1)
视觉感知层: 由硬件传感器,算法软件组成,实现识别、3D 建模、定
位导航等功能;2)运动控制层: 由触觉传感器、运动控制器等硬件及
复杂的运动控制算法组成,对机器人的步态和操作行为进行实时控制;
3)交互算法层:包括语音识别、情感识别、自然语言和文本输出等。
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以 UCLA 的人形机器人平台 ARTEMIS 为例,其控制架构包括硬件接
口、仿真界面、 控制器接口、安全接口,由中央处理器(CPU)来共
享和存储数据和信息。由于目前人形 机器人技术方案尚未定型,技术
快速迭代,控制器适合采用模块化结构,从而便于更换组 件,简化创
建不同控制器组合的过程。① 硬件接口:包括执行器、惯导(IMU)、
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/88612703/bg3.jpg)
传感器 等,反馈关节位置、速度、扭矩等数据信息;② 仿真界面:模
仿硬件接口的功能从而进行 仿真环境的模拟测试;③ 控制器接口:读
取到内外部环境信息后,对运动控制器等发送指 令;④ 安全接口:在
检测到任何错误行为时关闭机器。
运动控制器是人形机器人控制架构中最重要且复杂的模块之一。对于人
类而言,人类 可以结合使用不同的感官,如视觉、触觉和听觉等来应
对环境中的不确定性,经过长时间 的走路训练,运动控制早已内化为“下
意识”动作。对于机器人而言,如果机器人在不平 坦地面和不确定的外
部环境中进行动态运动,运动控制器需要实时调整其计划和轨迹,并
协调双足和全身肢体的状态。 以 ARTEMIS 为例,其运动框架十分复
杂,由运动控制器、步态调度、步态规划、轨 迹规划器、全身控制器
组成。运动控制器接收当前广义坐标 (q,q � ) 、力矩( � )和接触状
态 ( c ),并计算所需的前馈力矩(τ)和关节反馈。步态调度决定何时移动
末端执行器,步态规 划决定将末端执行器移动到哪里,轨迹规划器和
全身控制器决定如何移动末端执行器、质 心和身体。
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1.2 技术攻关关键环节,国家政策重点支持
“大脑”和“小脑”是人形机器人产业化落地的关键所在,也是技术难点所
在,不仅 是各家人形机器人厂商竞争的关键点,也是目前政策层面重
点支持的环节。在今年两大工 信部发布的人形机器人重磅政策中,“运
动控制”均放在关键位置。 2023 年 9 月工信部发布《人形机器人揭榜
挂帅任务榜单》中,排在核心基础首位的技 术为全身动力学控制算法。
揭榜任务为:面向人形机器人高动态行走的全身控制问题,突 破人形
机器人多体动力学实时模型、基于全身力矩的模型预测控制、长距离离
线身体姿态 和落足点规划、在线步态规划与实时姿态跟踪、面向仿人
机器人高爆发关节伺服阻抗控制等关键技术。形成人形机器人高动态行
走控制方法,在人形机器人实物平台上进行实验验 证。预期目标为:
到 2025 年,建立人形机器人高动态行走控制算法,可支持具有双足、
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双 臂、腰、髋、膝、踝等不少于 28 个自由度的人形仿生机构。支撑
人形机器人实现平地、斜 坡、台阶、非平整路面、松软路面等环境的
高动态行走,平地最大行走速度≥4km/h, 最大 奔跑速度≥9km/h。
2023 年 11 月,工信部联合多部门发布《人形机器人创新发展指导意
见》,控制器为 重点突破产品。政策目标到 2025 年,人形机器人创
新体系初步建立,“大脑、小脑、肢体” 等一批关键技术取得突破。其中,
“大脑”基于人工智能大模型,增强环境感知、行为控 制、人机交互能力;
“小脑”用于控制人形机器人运动,搭建运动控制算法库,建立网络 控制
系统架构。控制器产品发展目标为:面向高实时协调运动控制需求,研
发具有高动态 运动驱动、高速通信等功能的专用芯片,研制“感-算-控”
一体化的高性能运动控制器。 面向人形机器人认知与决策需求,研发
具有多模态空间感知、行为规划建模与自主学习等 能力的智能芯片,
提升人形机器人协调控制能力。
1.3 横向对比成熟产业,底层原理殊途同归
1.3.1 工业机器人 vs 人形:控制精度和工艺理解要求更高
工业机器人控制器作为机器人的“大脑”,具有控制机械臂的工作状态、
运动轨迹、 空间位置、操作顺序等功能。工业机器人对控制器的基本
要求包括:① 控制工业机器人的 位置、速度、加速度等,对连续轨迹
运动的机器人还要有轨迹规划和插补运算功能;② 人 机交互:工作人
员使用示教器、操作面板,对机器人进行编程等;③ 外部感知:部分
场景 需要工业机器人对视觉、力觉、触觉等有关信息进行测量感知,
有时需要与其他设备交换 信息和协调工作。
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