揭秘北京人形机器人“天工”如何学会奔跑：无视力感知各种地形

明末，宋应星创作了世界上第一部农业和手工业综合性著作——《天工开物》；约400年后，北京人形机器人母平台“天工”发布，实现了全球首例纯电驱全尺寸人形机器人的“拟人奔跑”。

“拟人奔跑”是人形机器人研发面临的世界性难题，但上月底在北京亦庄亮相的“天工”，却是踏着平稳的步伐一路小跑着来到发布会现场。如何以6公里/小时的速度跑起来？记者就此采访了“天工”背后的研发团队。

灵巧关节扛住运动爆发力

“天工”诞生地——北京人形机器人创新中心，研发办公室的布设很简单。一群“80后”“90后”工程师围坐在一张长长的会议桌旁，身边是机器人的各种构件。

物自天生，工开于人。创立之初，北京人形机器人创新中心设定了攻关本体原型、通用大模型、运控系统、操作系统、工具链等五大技术难题。“天工”的亮相，代表了其在本体、运控上的突破。

本体就是机器人的身体。“和人一样，它也要有四肢和肩、肘、髋、膝、踝关节，也要相互配合地动起来。”刘益彰负责本体原型的研发，对“天工”每条胳膊上的3个关节、每条腿上的6个关节都熟稔于心。

与人类不一样，人形机器人的关节里藏着电机、减速器、编码器、控制器四大关键零部件：电机能让关节动起来，同时借助减速器控制转速；编码器用来记录运动的位置，控制器则让关节精准发力。

原理看起来简单，但把这些零部件组合在一起非常困难。“不能太大、太沉，要像人类一样灵巧。拿膝关节为例，其实只有碗口大小。”刘益彰说，机器人的身体部件要尽可能省地儿，但关节也得足够强大，因为跑步时，脚在离地时需要高爆发力，落地时也会产生强大的反作用力。过去5个月，刘益彰带着团队反复优化设计每个关节，改了十几个版本。最终，最大关节重量控制在2公斤左右，最小的只有几百克，同时还保证了扭矩和精度。

“天工”实际上还有一双五指灵巧的手，每根手指的活跃度与人类几乎一样，单手最多可以抓取3公斤重的物体。虽然手上没有皮肤，结构异常坚硬，“天工”依然能灵巧地抓取鸡蛋、并确保蛋壳不破。“这是因为手指上有触觉传感器，抓取触摸到鸡蛋时，机器人自己知道需要用多大力气。”刘益彰解释。

在一次次摔倒中“学”会奔跑

刘益彰带领的本体团队赋予了“天工”躯体，而郭宜劼负责的运控团队教它如何站起来、走起来、跑起来。

运控系统相当于人类的小脑，决定着机器人的四肢如何运动。让机器人跑起来不容易，“拟人奔跑”更是难上加难。奔跑除了考验本体关节能否承受比行走、站立高出数倍的力量冲击，还得确保姿态平稳。

“奔跑时会有一刹那是双脚腾空，没有了支撑就很容易摔倒。”郭宜劼一有空就会到马路上观察路人是如何行走奔跑的，甚至会拍成视频一帧一帧地观察慢动作。人在奔跑时会自动调节四肢和重心，避免摔倒，机器人如何实现运动控制？这一直是人形机器人研发所面临的世界性难题，因此很多机器人都只能缓缓迈步，让人担心随时可能摔倒。

以往，行业对机器人运控一般采取模型预测和强化学习两条路。模型预测就如同按照公式计算结果，难以适应不同的环境，所以团队一开始就选择了强化学习这条路，也就是在仿真世界不断学习和训练。可试了几次，郭宜劼就发现行不通，机器人在运动时身体抖动明显。

如何能让机器人“学习”人类？团队自主研发了运动技能学习方法，让机器人基于对人类奔跑的状态记忆强化模仿学习。形象地说，“天工”在学习奔跑时共分两步：“吸收”人类运动过程中关节变化等各种数据并进行模仿；有了人类数据的指导，它在仿真环境中边跑边摔，在摸索和试错中学习，逐渐成长。最终，它实现了6公里/小时的跑步速度。虽然这个速度还比较慢，比人类步行速度快不了多少，但对人形机器人而言，已经是从走到跑的重大进步。

“如果它跑得不错、更像人类，我们就会在系统中给它一个奖励函数，那它以后就会朝着这个方向努力。”郭宜劼解释，直到今天，“天工”每一天还在学习，不断提升奔跑能力。

大模型将助“天工”更聪明

其实，“天工”爬坡、行走、奔跑时并不能看清周围环境。郭宜劼说，即使看不见它也能如人一样正常运动，正是因为它的训练基础。在仿真环境中，有数千台机器人同时训练，接触不同的台阶、斜坡等地形，这些训练数据最终汇聚到“天工”的“小脑”。

这相当于它集所有人的“功力”于一身，掌握了现实生活中的各种地形情况，当感知到路面情况时便能熟练地作出反应。

拟人奔跑还只是“天工”的处女秀。伴随着研发攻关，未来天工将具备更多功能。除了身体、小脑之外，创新中心正在解决“大脑”难题，也就是利用通用大模型让人形机器人变得更聪明。届时，人形机器人也将具备“视力”，实现眼、脑、手、脚等的互相配合。

“我们将持续迭代‘天工’，探索通用具身智能平台。”北京人形机器人创新中心总经理熊友军说，目前创新中心正在构建人形机器人规模最大、信息最稠密、最通用的高质量具身智能数据集，并以此为基础不断训练和迭代大模型。未来，通过“天工”平台与大模型的结合，人形机器人将实现长行程任务的规划能力及多场景、复杂任务的执行能力。

记者获悉，“天工”作为人形机器人母平台，具备开源开放性和兼容扩展性，充分满足不同应用场景的需求，其它机器人企业可以避免重复投资和研发，直接采用这一母平台进行更个性化的设计。

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