日前，北京人形機器人創新中心在北京經開區發佈全球首個純電驅擬人奔跑的全尺寸人形機器人。（和冠欣 攝）（資料照片）
明末，宋應星創作了世界上第一部農業和手工業綜合性著作——《天工開物》；約400年後，北京人形機器人母平臺“天工”發佈，實現了全球首例純電驅全尺寸人形機器人的“擬人奔跑”。
“擬人奔跑”是人形機器人研發面臨的世界性難題，但上月底在北京亦莊亮相的“天工”，卻是踏着平穩的步伐一路小跑着來到發佈會現場。如何以6公里/小時的速度跑起來？就此我們採訪了“天工”背後的研發團隊。
靈巧關節扛住運動爆發力
“天工”誕生地——北京人形機器人創新中心，研發辦公室的布設很簡單。一群“80後”“90後”工程師圍坐在一張長長的會議桌旁，身邊是機器人的各種構件。
物自天生，工開於人。創立之初，北京人形機器人創新中心設定了攻關本體原型、通用大模型、運控系統、作業系統、工具鏈等五大技術難題。“天工”的亮相，代表了其在本體、運控上的突破。
本體就是機器人的身體。“和人一樣，它也要有四肢和肩、肘、髖、膝、踝關節，也要相互配合地動起來。”劉益彰負責本體原型的研發，對“天工”每條胳膊上的3個關節、每條腿上的6個關節都熟稔於心。
與人類不一樣，人形機器人的關節裏藏着電機、減速器、編碼器、控制器四大關鍵零部件：電機能讓關節動起來，同時借助減速器控制轉速；編碼器用來記錄運動的位置，控制器則讓關節精準發力。
原理看起來簡單，但把這些零部件組合在一起非常困難。“不能太大、太沉，要像人類一樣靈巧。拿膝關節為例，其實只有碗口大小。”劉益彰説，機器人的身體部件要盡可能省地兒，但關節也得足夠強大，因為跑步時，腳在離地時需要高爆發力，落地時也會産生強大的反作用力。過去5個月，劉益彰帶着團隊反覆優化設計每個關節，改了十幾個版本。最終，最大關節重量控制在2公斤左右，最小的只有幾百克，同時還保證了扭矩和精度。
“天工”實際上還有一雙五指靈巧的手，每根手指的活躍度與人類幾乎一樣，單手最多可以抓取3公斤重的物體。雖然手上沒有皮膚，結構異常堅硬，“天工”依然能靈巧地抓取雞蛋、並確保蛋殼不破。“這是因為手指上有觸覺感測器，抓取觸摸到雞蛋時，機器人自己知道需要用多大力氣。”劉益彰解釋。
在一次次摔倒中“學”會奔跑
劉益彰帶領的本體團隊賦予了“天工”軀體，而郭宜劼負責的運控團隊教它如何站起來、走起來、跑起來。
運控系統相當於人類的小腦，決定着機器人的四肢如何運動。讓機器人跑起來不容易，“擬人奔跑”更是難上加難。奔跑除了考驗本體關節能否承受比行走、站立高出數倍的力量衝擊，還得確保姿態平穩。
“奔跑時會有一剎那是雙腳騰空，沒有了支撐就很容易摔倒。”郭宜劼一有空就會到馬路上觀察路人是如何行走奔跑的，甚至會拍成視頻一幀一幀地觀察慢動作。人在奔跑時會自動調節四肢和重心，避免摔倒，機器人如何實現運動控制？這一直是人形機器人研發所面臨的世界性難題，因此很多機器人都只能緩緩邁步，讓人擔心隨時可能摔倒。
以往，行業對機器人運控一般採取模型預測和強化學習兩條路。模型預測就如同按照公式計算結果，難以適應不同的環境，所以團隊一開始就選擇了強化學習這條路，也就是在倣真世界不斷學習和訓練。可試了幾次，郭宜劼就發現行不通，機器人在運動時身體抖動明顯。
如何能讓機器人“學習”人類？團隊自主研發了運動技能學習方法，讓機器人基於對人類奔跑的狀態記憶強化模倣學習。形象地説，“天工”在學習奔跑時共分兩步：“吸收”人類運動過程中關節變化等各種數據並進行模倣；有了人類數據的指導，它在倣真環境中邊跑邊摔，在摸索和試錯中學習，逐漸成長。最終，它實現了6公里/小時的跑步速度。雖然這個速度還比較慢，比人類步行速度快不了多少，但對人形機器人而言，已經是從走到跑的重大進步。
“如果它跑得不錯、更像人類，我們就會在系統中給它一個獎勵函數，那它以後就會朝着這個方向努力。”郭宜劼解釋，直到今天，“天工”每一天還在學習，不斷提升奔跑能力。
大模型將助“天工”更聰明
其實，“天工”爬坡、行走、奔跑時並不能看清周圍環境。郭宜劼説，即使看不見它也能如人一樣正常運動，正是因為它的訓練基礎。在倣真環境中，有數千台機器人同時訓練，接觸不同的臺階、斜坡等地形，這些訓練數據最終匯聚到“天工”的“小腦”。
這相當於它集所有人的“功力”於一身，掌握了現實生活中的各種地形情況，當感知到路面情況時便能熟練地做出反應。
擬人奔跑還只是“天工”的處女秀。伴隨着研發攻關，未來“天工”將具備更多功能。除了身體、“小腦”之外，創新中心正在解決“大腦”難題，也就是利用通用大模型讓人形機器人變得更聰明。屆時，人形機器人也將具備“視力”，實現眼、腦、手、腳等的互相配合。
“我們將持續迭代‘天工’，探索通用具身智慧平臺。”北京人形機器人創新中心總經理熊友軍説，目前創新中心正在構建人形機器人規模最大、資訊最稠密、最通用的高品質具身智慧數據集，並以此為基礎不斷訓練和迭代大模型。未來，通過“天工”平臺與大模型的結合，人形機器人將實現長行程任務的規劃能力及多場景、複雜任務的執行能力。
據悉，“天工”作為人形機器人母平臺，具備開源開放性和相容擴展性，充分滿足不同應用場景的需求，其他機器人企業可以避免重復投資和研發，直接採用這一母平臺進行更個性化的設計。（曹政）
