“青龙”人形机器人背后的故事：硬件平台

本文会结合“青龙”人形机器人硬件平台及其他人型机器人平台的硬件内容进行概述及简要分析。

1. 机器人整体结构硬件平台

人形机器人的结构设计应以轻量化为目标，以减轻整体重量，并减少末端部件（如手部和足部）的质量，这有助于提升动作的灵活性和速度。重量应尽可能集中在机器人身体的中心，如将电池布置在中心位置，以保证稳定性和重心控制。众多公司的人形机器人下肢会尽量让膝关节电机置于大腿根部，通过连杆传递的方式尽可能的上移下肢的重心。重心的合理控制对于机器人执行动作时的平衡性至关重要，可以通过优化部件的位置来实现。此外，结构强度也是设计中的重要因素，框架材料需要在保证轻量化的同时具备足够的强度，以支持日常操作和复杂运动。

模块化设计使得机器人更易于维护和升级。各个模块（如上肢、下肢、头部等）可以独立更换或升级，不需要对整机进行大规模改动。这种设计还可以方便进行功能扩展，例如增加新的传感器模块或执行器，以适应不同的任务。

机器人结构通常采用碳纤维、铝合金等轻量化材料，以降低重量，同时保持足够的强度和耐用性。关节设计则注重精度和反应速度，需能快速响应控制系统的指令，以实现流畅的动作。此外还需考虑机器人的构型，人体很多关节具有多个自由度，比如人体的髋关节又可以实现俯仰，又可以实现侧摆，也可以实现回转。而目前市面上大部分执行机构（电机、推杆等）只具有一个自由度，因此各关节朝向及自由度的布置也需要重点考虑。

2. 上肢与手臂硬件平台
上肢主要用于执行精细操作和复杂任务，如抓取、搬运、工具使用等。它需要具备接近人类的灵活度，以适应不同的工作环境和任务要求。上肢还包括腰部动作，这一部分对于协调身体的整体动作，以及在特定任务中增加灵活性至关重要。

手臂硬件平台必须考虑到多自由度的运动，通常当个手臂需要具备三至六个自由度或更多（如青龙机器人单臂共有7个自由度），以实现接近人类的动作幅度。这种设计可以通过关节的旋转、摆动和扭转来实现，使机器人能够执行复杂的操作。

手部末端执行器的硬件平台需要实现多指独立控制，能够执行精细操作，如抓取小物件、操作工具等。这通常通过复杂的传感器系统和精密的执行器来实现，以确保手部动作的灵活性和准确性。

3. 下肢与行走硬件平台
下肢的设计应支持机器人的稳定行走，并能够适应各种复杂地形，如楼梯、斜坡、不平坦地面等。这需要关节具有足够的自由度和强大的扭矩，以便在不同地形上保持平衡和稳定性。足端配备的传感器（如执行器上的力矩传感器、接触传感器等）用于检测地面情况和实时反馈，以调整机器人的姿态和动作。通过这些传感器，机器人能够感知地面的变化，并即时调整步态以保持平衡。足端的形状设计直接影响机器人的行走效率和稳定性。材料的选择需要兼顾耐磨性和抓地力，以确保机器人在不同地面条件下都能稳定行走。常见的材料包括橡胶、复合金属材料等，形状则多为仿生设计，以模仿人类足部的行走机制。

双足行走和稳定站立是人形机器人最具挑战性的部分之一。下肢与行走硬件平台需要配合相应的控制策略以维持动态平衡，即在行走过程中如何保持机器人不会摔倒。此外，人形机器人腿部运动执行器也是机器人也一般是机器人输出功率最大的地方，因此在选型时需要特别留意其各项参数，包括输出扭矩、转速、续航等等，如“青龙”人形机器人下肢与行走硬件平台髋关节前摆电机的峰值力矩可达到近400N·m。下肢关节驱动器需要具备强大的扭矩输出和快速响应能力，以支撑整个机器人的重量，同时能够快速调整姿态和位置，确保在行走时的稳定性和灵活性。

4. 执行器及电机
人形机器人常用的执行器包括伺直线驱动器和旋转驱动器。其中，直线驱动器用于执行线性运动，如推拉动作；旋转驱动器则用于关节的旋转运动。最近，关节模组的使用越来越流行，这种集成了电机、减速器、传感器和控制器的模组大大简化了关节的设计和集成。其他执行器还包括柔性件、线驱动等等。

选择电机时，需要考虑其功率、响应速度、精度和寿命。功率决定了电机能够提供的最大扭矩，响应速度影响动作的实时性，精度决定了动作的准确性，而寿命则影响系统的稳定性和维护成本。

5. 其他硬件平台

• 头部：人形机器人头部通常配备视觉系统，如摄像头和深度传感器，用于感知环境、识别物体和人脸。这些视觉数据可以用于导航、物体识别和与人类的交互。部分人形机器人的头部还集成了麦克风和扬声器，用于实现语音交互功能。通过语音识别和自然语言处理技术，机器人能够理解和响应人类的语音指令，进行智能控制和任务执行。
• 控制器：在机器人硬件平台中，电机伺服控制器起着关键作用，确保机器人在高负载下的稳定运行。一般控制器能够及时上传电源欠压、过压、过流等异常信息。此外，需要结合电机与控制器选择合适的通信方式，如485、CAN、Ethercat等，以便适应各种复杂环境。
• 供电系统：动力电池组为机器人提供了强大的能量支持，需要分别从能够提供连续的额定电流输出，以及峰值需求时支持的瞬间放电电流两个指标来评判。电池组的低连接内阻进一步提高了能源传输效率，并确保了系统的稳定运行。
• 机载电脑：运动控制计算机则为机器人提供了强大的计算能力，进而支持复杂的运动规划和实时决策。“青龙”人形机器人的计算机集成了多种通信接口，包括四路千兆以太网、WIFI6、8路CAN总线等，确保了与外部设备的高效数据交换。同时，搭载的4G、GPS/北斗定位系统为机器人提供了精确的位置信息。其设计还考虑了严苛的环境条件，能够在-20℃至60℃的温度范围内稳定工作，并具备抗振动性能，适应复杂的工作环境。
  

参考链接：

• 开源人形机器人—青龙重磅发布https://www.bilibili.com/video/BV1yb421n7dk/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=89344660576181bbfab5b986c4211bd9
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