摘要：作为机器人行业复杂度最高、通用性最强的细分领域，走出实验室在真实室外环境长时间完成任务，是对人形机器人稳定性、泛化性与鲁棒性的极大考验。在比赛筹备过程中，北京人形机器人创新中心的“天工”在硬件本体和具身智能算法双端都实现了大量突破。
2时40分42秒，随着“天工”完成冲线，人形机器人半程马拉松的首个世界纪录正式诞生。
作为机器人行业复杂度最高、通用性最强的细分领域，走出实验室在真实室外环境长时间完成任务，是对人形机器人稳定性、泛化性与鲁棒性的极大考验。在比赛筹备过程中，北京人形机器人创新中心的“天工”在硬件本体和具身智能算法双端都实现了大量突破。
▍本体革新，破解全尺寸机器人的物理桎梏
参赛机器人“天工”身高约180cm，体重约55KG，是与成年人体型一致的全尺寸机器人。对人形机器人来说，身高体重的增加，意味着结构刚度、整机散热、具身大小脑算法等核心技术难度随之呈指数级增长。以“全尺寸”构型完赛，意味着人形机器人在技术领域跨越了巨大鸿沟。
在硬件端，“天工”研发团队在关节及整机散热、缓冲设计、轻量化、能源系统等方面进行了大量优化设计与结构突破。
面对超长距离和超长时间连续运转，关节散热是人形机器人要面临的最大难关。在有限的体积内确保大扭矩输出的同时，控制电驱关节不因过热而影响性能，在相当长时间内成为了制约电驱人形机器人发展的“不可能三角”。为解决该问题，“天工”采用多种方式改进，槽满率提升20%以上，绕组端部体积减少30%，使相同功率下电机铜损降低15%-20%，从源头减少热源产生。同时基于整机热仿真模拟计算，得出最优散热风道，通过定向气流将关节热量导向主散热区，以优化整机散热性能，实现长距离奔跑热平衡。实验数据显示，该设计使关键关节在持续奔跑时温度稳定在70℃以下，确保电机扭矩输出不因过热而造成衰减。
最终比赛结果证明，天工所搭载的国产关节经受住了超长奔跑距离的严苛考验，在稳定性与耐久性上均表现优异。作为人形机器人最重要的零部件，可满足工业、特种作业领域超长时间作业要求的一体化关节实现自主可控，对人形机器人的产业化落地意义重大。
以人类姿态完成高速奔跑，意味着“天工”的每一步都需要超百斤的身体腾空后单脚落地、重踏地面完成发力，巨大的冲击对需要数千个零部件精密运转的人形机器人来说是巨大的考验。为此，“天工”腿部连杆进行了刚柔耦合设计，在脚步与地面接触时产生弹性形变，从而具备与人类跟腱相似的储能特性，降低峰值冲击力，减少奔跑对各部件的刚性冲击，同时以弹性势能回馈辅助迈步动作，从而极大提升了人形机器人应对长距离、长时间作业的稳定性与可靠性。
除此之外，为进一步降低大体重奔跑带来的冲击力，在维持全尺寸本体的结构强度的同时尽可能轻量化，也是当前人形机器人必须解决的一组矛盾。北京人形机器人团队采用拓扑优化对“天工”机器人进行整机系统性轻量化设计，对腿部连杆等多处承力结构进行材料分布优化，在保持结构性能的前提下显著减重，以提高运动能效和结构可靠性。
在整机的姿态构型上，“天工”采用了上移腿部元器件和零部件的策略，将电机等核心驱动件向髋部集中。这一设计借鉴了生物力学中“近端质量集中”原则，通过减小腿部转动惯量，显著提升了摆动腿的角加速度。根据动力学仿真，该优化缩短了单步周期，更符合高速奔跑时对人形机器人腿部快速摆动的要求。同时，上移策略降低了“天工”的膝关节驱动负载，避免了传统设计中因远端质量过大导致的扭矩冗余问题，使21公里长距离奔跑的能耗分布更为合理。
为应对马拉松等超长作业任务，研发团队在“天工”的背腔集成了卡扣复合式快换电池仓，单个电池模块可在120秒内快速完成电池更换，配合智能化能源管理系统，可支持“天工”以竞赛级配速持续奔跑，有效应对长程比赛的能源消耗。
在赛后展区，全新一代“天工2.0”亮相现场。相较于上一代机型，“天工2.0”从本体硬件、作业性能到操作应用等多方面迎来全新升级。本体硬件上，“天工2.0”具备高精度、大扭矩特点，显著提升运动性能以及复杂场景的适应性；性能表现上，“天工2.0”搭载双电池快换电系统，突破带电设备电池热插拔换电，实现了首个工业级机器人永续作业能力，配合多工况能耗控制技术，具备远超前代的续航能力。同时，“天工2.0”具备工业级上肢负载能力和全自由度灵活下肢系统，为复杂场景作业奠定技术基础。
▍大小脑协同，自主能力全域进化
由户外真实道路构成的跑道，意味着参赛的人形机器人们不再拥有实验室内的“温室环境”，必须有能力应对弯道、斜坡、沟坎、减速带和随时可能出现的突发障碍。因此在软件端，研发团队基于具身智能平台“慧思开物”的具身小脑与具身大脑，让“天工”不仅能够高速奔跑，还同时兼具强大的泛化性与鲁棒性。
具身小脑负责运动协调与实时反馈控制，是人形机器人具备动作完成能力与环境适应能力的核心技术模块。对于“天工”这样重心高、体重大的全尺寸人形机器人，能克服不稳定双足结构的具身小脑算法，是进行高动态、连续长时间奔跑的关键。基于通用具身智能平台“慧思开物”，研发团队通过引入一段时序的本体历史状态信息形成短时记忆，使得机器人能够通过准确观测本体状态信息实现对难以准确观测的状态信息的估计和预测，结合反复迭代的强化学习仿真训练，使机器人拥有了近乎本能的平衡控制能力和强大的抗干扰能力，能够抵抗高达45Ns冲量的外部冲击，在雪地等复杂地形被外力拖拽也能自动保持平衡。同时在仿真训练中增加外力干扰、域随机化等关键环节，提高仿真到实机迁移成功率。对于复杂多变的外部环境，该技术通过提取外部传感器的深度图和点云信息，进行高维空间表征，基于强化学习，使机器人理解表征的环境信息，并学会应对多种复杂地形时灵活的调整步态和速度，达到接近人类的地形通过水平。
针对真实道路的突起、凹陷、减速带、细小石子等随机干扰，研发团队还在神经元网络的状态空间中引入期望速度和期望落脚点规划的双重控制指令，通过课程学习和奖励机制重塑，使机器人在行走过程中保证高动态地形通过性，同时在关键路径点转换机器人行走注意力，保证了准确落脚点位置跟踪，从而兼顾了平稳通过能力和准确定位能力。
根据比赛规则，参赛队可选择遥控器人工操控和机器人控制两种方式完成比赛。此次比赛中，“天工”采用无线领航技术完成跟随导航和长程路径规划，也是唯一不使用人工遥控的参赛机器人。通过UWB传感器实现对领航员的稳定定位和跟踪，跟踪速度精度误差小于0.1m/秒，跟踪姿态误差小于3度，从而实现了自主完成比赛。
此外，通过具备基于SLAM构建的3D环境语义地图和对动态障碍物的实时感知能力，结合具身“大脑”的决策能力，判读机器人的可通行空间和最优的通行路线，完成全局路径规划，让“天工”还可精准检测静态与动态障碍物，并预测其运动趋势，结合障碍物的三维位置与时序信息，动态生成安全避障路径，保障机器人在复杂环境中的安全通行。
▍从竞技到应用，走向人机共生的新纪元
当"天工"冲过半马终点线的瞬间，这场持续21公里的极限测试已悄然为具身智能产业突破了三重边界：技术上验证了全尺寸人形机器人连续作业的可行性，产业端探索了通用机器人走出实验室的工程化路径，更在认知层面改写了人类对机器人运动能力的想象。
这场特殊的马拉松，本质上是将人形机器人研发置于最严苛的真实场景熔炉，用持续数小时的动态平衡测试倒逼底层技术的系统性突破。
这些突破正在转化为未来应用的可能性——从工业对严苛环境下长期作业能力的需求，到特种作业对稳定通过复杂地形的苛刻刚需，人形机器人的科技树正在千行百业快速生长。
正如马拉松赛事推动着人类不断突破生理极限，这场属于具身智能的极限测试，指向着人机共生的新纪元，每一个家庭、每一条产线、每一个人类所需之地，都可以有机器人助手们不知疲倦的身影。
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来源：人工智能学家
