从固定机械臂到人形机器人移动机器人的演进历程

从固定机械臂到人形机器人：移动机器人的演进历程本文在撰写过程中得到了Iain Galloway、Joost van Dorn、Gerald Peklar、Peter van der Perk、Jari van Ewijk等专家的指导与支持。摘要引言三大核心议题复杂性演进路径地点导航与任务执行应对新任务的复杂性结论和行动倡议目录 ............................................................................................................................... 3 ............................................................................................................................... 3 .......................................................................................................................... 3 ........................................................................................................... 3 ......................................................................................................... 8 ....................................................................................... 11 ....................................................................................................... 12Nicolas Lehment，CTO-SBS-SI摘要三大核心议题：复杂性演进路径引言文章系统梳理了自动导引车（AGV）、自主移动机器人（AMR）、漫游车、无人机、腿足机器人及人形机器人等各种机型，深入解析各种机型的控制系统、导航能力及为提高性能进行的AI集成。同时，文中还指出，为实现机器人系统的可扩展性与智能化，需要配备先进的实时控制器、功能安全机制及高效电源管理。本白皮书围绕移动机器人领域，探讨机器人技术的前沿进展与挑战，聚焦三大核心议题：机器人运动控制，复杂环境下的感知与导航，以及适用新任务的模块化与灵活性。全文以机器人系统从简易固定机械臂到高端人形机器人的演进脉络为主线，着重阐述具身人工智能（embodied AI）在实现机器人多功能化与敏捷性方面的重要价值。• 机器人运动控制机• 日益复杂环境下的感知与导航• 适用新任务的模块化与灵活性（沟通、设计等）本文暂不展开机械设计、任务管理及机器人软件开发等细分领域，如有兴趣，欢迎联系移动机器人团队进一步交流。以运动方式为分类维度，现代机器人可划分为几种不同类别，与操作机器人所需的控制与指令系统的复杂性形成显著的对应关系。随着各类技术的不断发展与完善，复杂性逐渐变得可控，其演进过程也可视为一部简明的机器人发展史。本文最后讨论了人形机器人在以人为中心的环境中的未来应用，并强调构建多功能机器人形态组合对于提升实用性和加速普及的重要意义。机器人技术一直是人类科技关注的焦点。尽管科幻文学中早期对机器人的描绘多为类人生物形态（如卡雷尔·恰佩克、艾萨克·阿西莫夫、E.T.A.霍夫曼笔下的经典形象），但1961年应用于汽车制造业的首台机械臂Unimate却是极为简化的工业设备。图1：以运动方式为分类维度，现代机器人可划分为几种不同类别，与操作机器人所需的控制与指令系统的复杂性形成显著的对应关系。经过计算机设计、控制理论、电机工程及传感技术的多年发展，机器人逐渐具备导航、交互与协作能力，能够完成更复杂的任务。如今，具身人工智能正成为新一代高机动性机器人的核心技术特征。本文总结了构建日益复杂的机器人系统的关键要素及其重要性。固定型二维驱动型三维运动型腿足型人形• 工业机器人• 机械臂• 多臂系统• 协作机器人• AGV• AMR• 漫游车• 地面无人机• 多旋翼无人机• 有翼无人机• 水下无人机• 四足动物型（如狗形）• 两足动物型（如鸵鸟形）子类型任务成熟成熟正在发展正在发展未来3-8年有前景• 焊接• 拾取和放置• 组装• 质检• 厂内物流• 配送• 检验• 清洁与维护• 酒店服务• 防务• 检验• 环境监测• 配送• 防务• 检验• 环境监测• 防务• 组装• 服务• 医疗协助• 家务• 防务3nxp.com.cn/MobileRobotics感知与控制系统的复杂性不断提升图2：三轴固定机械臂，用于将物品或工具精准移动到工作空间内的特定位置机器人最简单的形式可能是一个三轴固定机械臂或龙门起重机，用于将物品或工具搬运至工作空间内的特定位置。更为复杂的固定机器人通常采用“机械臂”结构，由5至7个依次相连的驱动关节构成，末端配有工具或夹具。这类机械臂已广泛应用于装配、取放、焊接、检验等工业领域。机械臂的运动轨迹在空间内的指定点之间预先规划与计算，由中央电机控制系统根据位置/扭矩曲线调度关节电机，将工具移至指定位置。随着工厂加速自动化进程，工程师已开始运用机器人在车间和仓库搬运货物与箱子。自动导引车（AGV）通过识别嵌入地面的磁条或光学标记，在预设站点之间进行导航。由于路径固定且地面平坦，AGV的电机控制与运动控制相对简单。随着传感与计算能力的提升，AGV逐渐演变为具备自我定位与导航功能的自主移动机器人（AMR）。尽管运动与电机控制系统基本不变，但为了处理同步定位与地图构建（SLAM）、路径规划、任务调度以及更高层级的系统接口等任务，系统中需新增一个独立的计算模块。计算、电机控制与传感技术的最新进展，逐渐打破传统的集中式结构与僵化的调度，更轻量化的机器人能够在工作空间内灵活地操控工具或夹具。目前，这些系统采用由中央运动规划器引导的分布式电机控制系统。在环境可控且已知的情形下，路径规划与运动控制可预先计算，或以低频运行。需留意的是，路径规划、运动控制与电机控制是三个区别明显的概念：• 路径规划是从工作空间层面考量任务，确定机器人需 将工具（或自身）移动至何处，以完成指定任务。• 运动控制将机器人在操作空间内的姿态与位置视作其 关节位置的函数。为实现路径规划器要求的目标姿态， 运动控制会计算电机所需执行的动作。• 电机控制负责实时指令下达与状态监测，执行由运动 控制系统计算出的动作指令。4nxp.com.cn图3：搭载单反相机的多旋翼无人机漫游车与自主移动机器人（AMR）同属轮式机器人，但它们已突破仓库和工厂等结构化环境的限制，能够