在科技飞速发展的当下，人形机器人宛如一颗璀璨新星，迅速崛起，成为科技领域炙手可热的焦点。无论是在被誉为科技界“春晚”的国际消费电子展CES上，还是在有着“中国科技第一展”之称的中国国际高新技术成果交易会上，人形机器人都占据C位，大放异彩。

各大媒体也对人形机器人青睐有加，频繁报道。从特斯拉Optimus在工厂里灵活作业，到宇树科技的Unitree G1以亲民价格震撼市场，每一次人形机器人的新突破、新进展，都能成为舆论热点，在网络上掀起讨论热潮，吸引着全球目光。

2025年1月30日，特斯拉在业绩会上更新了Optimus机器人量产指引，2025年目标生产1万台机器人，产能第一步扩至每月1000台，到2026年每月产能达到10000台，2027年每月产能达到10万台。

图1 特斯拉的Optimus^[1]

2025年1月28日，宇树科技的Unitree G1在央视春晚的舞台上进行了扭秧歌表演，能灵活地跳舞、转手绢，展示了其灵活的操控性能。紧接着，2025年2月6日，宇树机器人与英伟达协作，G1人形机器人在英伟达上海年会上展示了超凡的表演能力，能模仿体育界巨星如C罗、詹姆斯和科比的经典动作，还能随着节奏扭动身体，展示了其卓越的舞蹈天赋。

图2 宇树科技的Unitree G1^[2]

早期探索：梦想的萌芽

人类对人形机器人的幻想，最早可追溯至15世纪的达·芬奇时代。这位伟大的艺术家、科学家在其手稿中绘制了一个人形机器人——“机器武士”，以木头、金属和皮革为外壳，由齿轮驱动，依靠风和水力运转，能完成坐、站立、挥舞胳膊等简单动作。虽然受限于当时的科技水平，“机器武士”未能具备真正的智能，但它无疑是人类探索人形机器人领域的先驱之作，为后来者种下了梦想的种子。^[3]

时光流转到了20世纪上半叶，美国开启了现代意义上的人形机器人研制。1954年，美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机械手，并注册专利，这一创举拉开了现代机器人发展的序幕。随后，被誉为“机器人之父”的约瑟夫·恩格尔伯格创建了世界上第一家机器人公司Unimation，几年后，该公司的第一台机器人产品Unimate问世。1968年，美国斯坦福国际研究所成功研制出移动式机器人Shakey，它是世界上第一台带有人工智能的机器人，能够自主进行感知、环境建模、行为规划等任务，让人们看到了机器人从机械执行向智能决策迈进的曙光。

关键突破：技术的飞跃

20世纪60年代起，人形机器人的研发迎来了关键突破。1967年，日本早稻田大学研制出WABOT-1，它高约2米，重160公斤，配备肢体控制系统、视觉系统和语音交互系统，拥有仿人双手和双腿，全身共26个关节，胸部装有两个摄像头，手部装有触觉传感器。尽管WABOT-1的行动能力仅相当于一岁多的婴儿，行走一步需要45秒，步伐只有10公分左右，但它的诞生意义非凡，代表人类已初步实现全尺寸人形机器人双足行走，其主要创造者加藤一郎也因此被誉为“世界仿人机器人之父”。

图3 日本早稻田大学研制的WABOT-1^[4]

在WABOT-1的基础上，科学家们不断探索创新。2000年，本田公司推出人形机器人ASIMO，身高130厘米，体重48公斤，全身57个关节，最大速度是9km/h。ASIMO不仅能实现小跑、单足跳、上下楼梯和踢足球等复杂运动，还能实时预测下一个动作并提前改变自身重心，具备与人握手、挥手、随音乐起舞等交互能力。经过多次迭代，ASIMO的功能愈发强大，可利用传感器避障、预先设定动作、依据人类声音和手势等指令采取相应动作，还具备基本的记忆与辨识能力，成为当时人形机器人技术的集大成者，让人们对人形机器人的未来充满期待。

2009年，波士顿动力的Atlas机器人问世，原型机于2013年7月向公众公开。Atlas采用液压驱动电液混合模式，融合了光学雷达、激光测距仪、TOF深度传感器等先进设备的技术能力。经过几次优化，它通过RGB摄像头和TOF深度传感器获取环境信息，利用模型预测控制器技术（MPC）跟踪动作、调整发力和姿势动作等，在28个液压驱动器的推动下，可在复杂障碍环境内做出跳跃、翻滚、小跑、三级跳等一系列高难度动作，其卓越的平衡能力和灵活的运动控制令人惊叹，将人形机器人的运动性能提升到了一个新的高度。

图4 波士顿动力Atlas^[5]

近年来，特斯拉的Optimus横空出世，引发全球关注。2022年10月1日，Optimus原型机正式亮相，展示了在汽车工厂搬运箱、浇水植物、移动金属棒等操作。它身高171厘米，重56.6公斤，可拿取约20千克重的物品，行走速度为约时速8公里。Optimus的大脑采用特斯拉的超级计算机系统Dojo，还与特斯拉汽车共享神经网络（NN），并安装了相同的完全无人驾驶系统（FSD）。FSD包含多个传感器、计算机、人工智能技术和算法，以及导航和地图数据等，帮助汽车和机器人在各类环境中实现感知、决策和行动。特斯拉基于汽车的技术、品牌和市场积累，将通用能力尤其是在顶层数据和技术开发上的突破向机器人迁移，为Optimus的产业化落地奠定了坚实基础，也让人形机器人迈向了产业化的新阶段。

人形机器人的技术架构可以从不同维度进行分类，本文按照功能模块对人形机器人的技术架构进行专利分类解析。那么目前人形机器人领域的关键技术有哪些，具体解决方法是什么？让我们从专利中找到答案。

图5 人形机器人技术架构图

人形机器人技术架构包括感知系统、控制系统、动力系统和机械结构系统，下面分别详细介绍：

感知系统包括视觉系统、听觉系统、力觉与触觉系统、以及其他感知模块。

感知系统相关专利布局多为两种及以上感知系统耦合，可显著提升其环境感知能力、决策准确性和交互自然性。如复旦大学申请的专利CN113910217B，通过麦克风阵列采集语音信号并记录时间；然后利用人声识别方法识别，统计采集到人声的麦克风数量；从视频中获取人脸图像帧，利用人脸辨识方法辨识并统计人脸数量；再结合唇动检测算法实现唇动识别。这样通过视觉、听觉两方面的融合处理，确定头部的转向角度，提高了交互自然性。

在视觉、听觉和嗅觉系统的耦合方面，2024年北京大学与北京龙软科技股份有限公司联合申请的专利CN118230135B，通过集成部署成对的视觉、听觉和嗅觉采集设备，实时记录设备周围环境或环境内同一空间对象的位置、形态、运动状态、声音和气味等多维度的连续时空信息对。系统将同一时刻时空信息对以成对的形式存储和同步融合处理，以实现相互印证并形成具有景深和属性标识的三维处理结果或视频流，达到识别和理解场景中的时空关系和事件的效果。

控制系统主要负责规划和控制机器人的运动轨迹、姿态，根据任务需求生成关节角度、速度等控制指令，使机器人能够完成行走、抓取等动作；根据感知系统获取的信息和预设的目标，进行任务分解、路径规划、动作选择等高层决策，确定机器人的行为策略；利用传感器反馈的信息，实时调整控制参数，确保机器人的运动和操作达到预期效果，提高系统的稳定性和准确性。

如深圳市优必选科技股份有限公司申请的专利CN113031579B，根据双足机器人当前所处的步态周期确定该双足机器人的期望力矩控制量，由此，更准确地确定期望力矩控制量，从而使得根据该期望力矩控制量控制的双足机器人行走更稳定。

又如2023年波士顿动力公司申请的专利US12194629B2，基于机器人的导航目标和运动状态信息确定机器人的轨迹目标，进而确定机器人的重定向轨迹；基于重定向轨迹，确定机器人的质心轨迹和运动学轨迹，进而确定机器人的关节向量，实现人形机器人在困难的地形、不可预见的障碍以及外部条件意外变化的环境中完成导航动作。

动力系统包括电机与驱动器、电池与电源管理两方面。

电机与驱动器为机器人的关节提供动力，常见的有伺服电机、步进电机等，驱动器用于控制电机的转速、扭矩和位置。

在该技术方向上，代表专利如2023年杭州宇树科技有限公司申请的专利CN220687938U，提出了一种复合减速结构的关节动力机构，采用多级减速结构，其在一级减速结构中采用双面齿圈作啮合传动，通过内外双侧均设齿面的双面齿圈在内齿圈上作偏心运动，来带动外齿圈输出，利用较小的结构空间即可获得较高的减速比；并且由于该级减速结构在相互啮合传动过程中，始终是齿面接触，齿的接触面积大，接触数量多，因而其抗过载能力强，不容易因载荷冲击而损坏或失效。

电池与电源管理为机器人提供电力支持，高性能的电池需要具备高能量密度、长续航能力，电源管理系统则负责对电池进行充放电管理、能量分配等。

如2024年深圳市优必选科技股份有限公司申请的专利CN221575152U和CN117748946A，针对人形机器人在运动过程中因舵机电压波动导致电路纹波大，影响系统稳定性，甚至导致主芯片停止工作的问题，当电源信号发生波动时，通过储能电路进行放电至降压模块降压，以输出满足外部电路所需的供电电压信号。同时通过防反电路使得当电源信号波动时防止储能电路倒灌，不仅电路结构简单，而且成本较低。

机械结构系统包括决定了机器人的运动灵活性和自由度的各种关节，如旋转关节、直线关节等，不同的关节设计适用于不同的运动需求。

在该技术方向上的代表专利如特斯拉公司在2023年申请的WO2024073135A1，通过使用单个线性执行器以最小的运动实现大角度的旋转，从而提高机器人系统的效率和可靠性，从而优化机器人应用的关节设计。

又如2024年杭州宇树科技有限公司申请的专利CN221938342U，针对现有技术无法满足人形机器人实现各种姿态、动作的要求，拟人效果不好，不利于人形机器人推广使用的问题，通过设置大腿体、小腿体和脚部支撑件以及相应的髋关节驱动单元、膝关节驱动单元、脚踝驱动单元，并且对结构进行紧凑设计，使得人形机器人可以做出各种拟人化的腿部以及脚部动作。

技术瓶颈：前行路上的阻碍

尽管人形机器人取得了显著进展，但在技术层面仍面临诸多瓶颈。能源续航问题是亟待解决的一大难题。目前，人形机器人大多依赖电池供电，然而现有电池技术能量密度较低，难以满足机器人长时间、高强度工作的需求。以目前市场上的主流人形机器人为例，一次充满电后，其续航时间往往仅能维持1-2小时，这极大地限制了机器人的工作范围和效率。在实际应用中，频繁充电不仅耗费时间，还可能影响任务的连续性和稳定性。

此外，人工智能技术的不完善也制约了人形机器人的发展。人形机器人需要具备强大的人工智能算法，以实现对复杂环境的感知、理解和决策。目前的人工智能技术在处理一些复杂场景和突发情况时，仍表现出明显的不足。当遇到未知的环境变化或意外情况时，机器人可能无法及时做出准确的判断和反应，导致任务失败或出现安全问题。在复杂的室内环境中，机器人可能会因为无法准确识别和避开障碍物而发生碰撞，影响其正常运行。

技术突破：可期的变革

展望未来，在能源续航方面，新型电池技术的研发或将取得重大进展。固态电池作为一种极具潜力的新型电池，正逐渐成为研究热点。与传统锂电池相比，固态电池采用固态电解质替代液态电解质，具有更高的能量密度，能够为人形机器人提供更持久的续航能力。固态电池的能量密度可比传统锂电池提高2-3倍，这意味着人形机器人一次充电后，可运行的时间将大幅延长，工作效率将得到显著提升。此外，固态电池还具有更高的安全性，能够更好地适应复杂的工作环境，减少因电池问题引发的安全隐患，为人形机器人的广泛应用提供有力保障。

在人工智能技术方面，随着深度学习、强化学习等技术的不断发展，人形机器人的智能水平将实现质的飞跃。未来，人形机器人有望具备更强大的认知能力和情感理解能力，能够更好地理解人类的意图、情感和需求，实现更加自然、流畅的人机交互。通过与人类的互动和学习，人形机器人可以不断积累知识和经验，提高自身的智能水平，成为人类真正的智能伙伴。

材料科学的进步也将为人形机器人带来新的变革。新型材料的研发将使机器人更加轻便、灵活且坚固耐用。例如，碳纤维材料具有高强度、低密度的特点，其强度是钢铁的数倍，但重量却轻得多，将其应用于人形机器人的结构部件，可显著降低机器人的自重，提高其能源利用效率和运动灵活性。同时，智能材料的发展也将为人形机器人带来更多的可能性。智能材料能够根据外界环境的变化自动调整自身的性能，如形状、硬度等，使人形机器人能够更好地适应不同的工作场景和任务需求。

随着技术的不断突破，人形机器人在未来社会的应用前景将更加广阔，将深度融入人类生活的各个领域，成为推动社会发展的重要力量。

1. 特斯拉的人形机器人optimus图片 - 搜索 图片 ↑

2. 春晚宇树科技手绢 - 搜索 图片 ↑

3. 人形机器人：千年想象终成现实      ↑

4. 日本早稻田大学研制的WABOT-1图片 - 搜索 ↑

5. 波士顿动力Atlas图片 - 搜索 ↑

作者：品源知识产权管理咨询有限公司 张天阔