先是馬斯克放話:未來(lái)80%的特斯拉市值將來(lái)自人形機(jī)器人業(yè)務(wù),一下把大家的注意力從電動(dòng)車(chē)又拉回到了那臺(tái)神秘的Optimus上。
緊接著,一段新視頻又在網(wǎng)絡(luò)上瘋傳。
視頻最早是由Salesforce CEO Marc Benioff 發(fā)布的,主角自然是 Optimus。但這次,它換了個(gè)“金閃閃”的新殼,手部結(jié)構(gòu)也更精細(xì)。除了外觀吸睛,這臺(tái)機(jī)器人的售價(jià)也不便宜, Benioff 親口透露:20萬(wàn)到50萬(wàn)美元之間。
最讓人眼前一亮的,還是它的“走路方式”。視頻里,這臺(tái)金色 Optimus 的步態(tài)明顯更加自然,腳跟著地、步伐穩(wěn)健,非常接近人類(lèi)走路的方式。

但這個(gè)步態(tài),看起來(lái)非常熟悉。
幾乎就是前不久,國(guó)產(chǎn)機(jī)器人公司開(kāi)普勒發(fā)布的K2“大黃蜂”抗擾動(dòng)步態(tài)視頻中的“同款步態(tài)”。視頻中,K2“大黃蜂”在磚石、塑膠、草地等復(fù)雜環(huán)境和外力干擾中依然保持直膝步態(tài)、穩(wěn)定行走,展現(xiàn)了強(qiáng)大的平衡能力與環(huán)境適應(yīng)性。

為什么看起來(lái)這么像?追根溯源后得知,原來(lái)特斯拉和開(kāi)普勒在底層架構(gòu)上都選用了類(lèi)似的技術(shù)路徑:滾柱絲杠直線執(zhí)行器混動(dòng)架構(gòu)。
在機(jī)器人學(xué)界,這被認(rèn)為是極具挑戰(zhàn)的方案,需要復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和極高精度的力矩控制。但其優(yōu)勢(shì)同樣顯著:步態(tài)更加自然,能效利用率更高,更便于任務(wù)執(zhí)行,環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。

對(duì)此,我們特地咨詢了開(kāi)普勒公司,希望從這家國(guó)產(chǎn)廠商的視角,了解背后真實(shí)的技術(shù)考量。
01
直膝步態(tài),為什么是“難而正確”?
開(kāi)普勒方面表示,之所以選擇直膝步態(tài)和滾柱絲杠直線執(zhí)行器混動(dòng)架構(gòu),是因?yàn)檫@是一條“難而正確”的路。
對(duì)于雙足機(jī)器人而言,直膝行走幾乎是最難的動(dòng)作之一。相比之下,彎膝步態(tài)更容易實(shí)現(xiàn):重心低,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,對(duì)控制算法和硬件精度的要求相對(duì)寬松。因此,多數(shù)機(jī)器人公司會(huì)選擇彎膝方案來(lái)保證“能走”。但問(wèn)題也很明顯:動(dòng)作笨拙,能效低下,離“像人”還有很大距離。
開(kāi)普勒?qǐng)?jiān)持認(rèn)為,人形機(jī)器人既然要走路,就必須“像人一樣走”。這也是他們選擇直膝步態(tài)的根本邏輯。
近日,開(kāi)普勒人形機(jī)器人K2大黃蜂迎來(lái)全新步態(tài)升級(jí),并正式發(fā)布了國(guó)內(nèi)首例“混合架構(gòu)抗擾動(dòng)”步態(tài)實(shí)錄視頻。
在這段視頻里,K2大黃蜂面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境時(shí)始終保持穩(wěn)定的行走節(jié)奏。這種表現(xiàn),直觀地體現(xiàn)了直膝步態(tài)在復(fù)雜環(huán)境中的可行性和優(yōu)勢(shì)。
開(kāi)普勒方面表示,這款機(jī)器人以直線執(zhí)行器為核心動(dòng)力,相當(dāng)于“腿部肌肉”,提供主要能量;再結(jié)合旋轉(zhuǎn)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)方式,實(shí)現(xiàn)動(dòng)作微調(diào)和步態(tài)切換,從而適應(yīng)不同地形。
這一方案已被包括特斯拉、小鵬等在內(nèi)的國(guó)際前沿人形機(jī)器人團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證,并逐漸成為行業(yè)共識(shí)。
其中的核心部件是行星滾柱絲杠,一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的精密傳動(dòng)裝置。它通過(guò)“行星傳動(dòng)+螺紋嚙合”的復(fù)合原理實(shí)現(xiàn)高負(fù)載、高精度傳動(dòng),優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:
1.高能效比與高精度:行星滾柱絲杠通過(guò)滾動(dòng)摩擦傳遞動(dòng)力,能量損耗較低,可高效地將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng),其能量轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到81.3%左右;低摩擦設(shè)計(jì)(摩擦系數(shù)低于傳統(tǒng)絲杠)減少熱變形和能量損耗,確保長(zhǎng)期運(yùn)行下的定位精度。
2.超強(qiáng)承載能力:行星滾柱絲杠通過(guò)螺紋滾柱作為滾動(dòng)元件,在螺母與絲杠間形成眾多接觸線,大幅提升受力面積。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使承載能力遠(yuǎn)超滾珠絲杠。在同等負(fù)載力下,行星滾柱絲杠體積更小,且能適應(yīng)惡劣工況(如高沖擊、多粉塵環(huán)境)。尤其適用于如重載機(jī)械、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)等。
3.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與耐久性:螺紋滾柱的連續(xù)接觸消除了滾珠絲杠中可能出現(xiàn)的沖擊振動(dòng),運(yùn)行更平穩(wěn),降低噪音和機(jī)械磨損。接觸應(yīng)力分散顯著降低元件疲勞風(fēng)險(xiǎn),壽命可達(dá)滾珠絲杠的數(shù)倍,尤其適合高強(qiáng)度工業(yè)環(huán)境。
正是這種結(jié)構(gòu),讓K2“大黃蜂”在保持人類(lèi)自然步態(tài)的同時(shí),兼具穩(wěn)定性與耐久性。從特斯拉Optimus到開(kāi)普勒K2“大黃蜂”,這不僅是“看起來(lái)像人”的選擇,更是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的效率與穩(wěn)定性兼顧的最優(yōu)解。
02
困難重重,開(kāi)普勒有何解法?
正如開(kāi)普勒公司所示,直膝步態(tài)的“正確”,并不意味著它“容易”。尤其是在采用滾柱絲杠混動(dòng)架構(gòu)的前提下,控制難度和工程復(fù)雜度幾乎是指數(shù)級(jí)上升。
第一重難點(diǎn)在于絲杠力學(xué)。
市面上常見(jiàn)的準(zhǔn)直驅(qū)機(jī)器人,多數(shù)采用相對(duì)簡(jiǎn)單的串聯(lián)結(jié)構(gòu),控制邏輯更直觀。但在開(kāi)普勒的混合架構(gòu)里,行星滾柱絲杠直線執(zhí)行器與旋轉(zhuǎn)電機(jī)協(xié)同驅(qū)動(dòng),每一個(gè)關(guān)節(jié)都需要在高負(fù)載和復(fù)雜動(dòng)作下保持精確控制。
這就意味著,上層控制器規(guī)劃的角度、速度和力矩,要實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為絲杠長(zhǎng)度、速度與推力,再由電機(jī)執(zhí)行。而直線電機(jī)反饋的數(shù)據(jù),又要反向換算成關(guān)節(jié)的角度、速度與力矩。這種復(fù)雜的雙向映射關(guān)系,就是所謂的“絲杠力學(xué)”,也是實(shí)現(xiàn)自然步態(tài)的前提。

第二重難點(diǎn)在于仿真與現(xiàn)實(shí)的差距(Sim-to-Real Gap)。
如果說(shuō)絲杠力學(xué)是精度上的挑戰(zhàn),那么仿真與現(xiàn)實(shí)之間的差距,則是落地性上的鴻溝。幾乎所有人形機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)都會(huì)面對(duì)所謂的 Sim-to-Real Gap:在虛擬仿真環(huán)境里跑得流暢自然,一旦切換到真實(shí)世界,就問(wèn)題頻出。
原因在于,仿真世界往往過(guò)于理想化。它可以忽略關(guān)節(jié)摩擦、材料變形、地面微小的不平整;傳感器數(shù)據(jù)也被假設(shè)為“完美”,而現(xiàn)實(shí)中的 IMU 漂移、力矩傳感器噪聲、視覺(jué)延遲都會(huì)積累成姿態(tài)偏差;仿真環(huán)境通常是平坦的地面,但現(xiàn)實(shí)中機(jī)器人要面對(duì)的是坑洼、斜坡、突發(fā)外力甚至光照變化。
更麻煩的是,真實(shí)的執(zhí)行器存在響應(yīng)延遲和死區(qū)效應(yīng),指令發(fā)出去并不會(huì)“秒到”;通信網(wǎng)絡(luò)也有延時(shí),這些微小的差異足以讓看似完美的步態(tài)在實(shí)機(jī)上完全走樣。
針對(duì)這兩大難題,開(kāi)普勒的應(yīng)對(duì)思路是“雙管齊下”。K2“大黃蜂”采用直線執(zhí)行器的混動(dòng)架構(gòu),在力控環(huán)節(jié)中引入絲杠力學(xué)的精密計(jì)算,并輔以強(qiáng)化學(xué)習(xí)與模仿學(xué)習(xí)的結(jié)合,從而同時(shí)攻克了步態(tài)的靈活性與自然性問(wèn)題。在復(fù)雜環(huán)境下,它能夠完成穩(wěn)定而靈活的步態(tài)切換;在日常行走中,則展現(xiàn)出類(lèi)人直膝步態(tài)的自然效果。

在具體方法上,強(qiáng)化學(xué)習(xí)承擔(dān)了最基礎(chǔ)的“教學(xué)”角色。通過(guò)大規(guī)模并行的仿真實(shí)驗(yàn),數(shù)千臺(tái)虛擬機(jī)器人被置于各類(lèi)復(fù)雜場(chǎng)景之中:不同地形、不同執(zhí)行器特性,甚至絆倒、滑倒或外力干擾。GPU加速讓這種試錯(cuò)可以在極短時(shí)間內(nèi)完成,最終形成能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的魯棒性控制策略。
與此同時(shí),模仿學(xué)習(xí)則讓“大黃蜂”具備了更接近人類(lèi)的動(dòng)作特征。借助高保真的物理仿真器,僅需數(shù)小時(shí)便能生成相當(dāng)于數(shù)年的人體步態(tài)數(shù)據(jù)。機(jī)器人不僅學(xué)會(huì)了腳跟先著地、腳尖離地的細(xì)節(jié)動(dòng)作,還能做到手臂與腿部的自然擺動(dòng),使整體步態(tài)更符合人類(lèi)直覺(jué)。
在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中,獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)發(fā)揮了關(guān)鍵作用,它像“老師”一樣為機(jī)器人指引方向:哪些行為更高效、更穩(wěn)定,哪些策略更能抵御擾動(dòng)。
經(jīng)過(guò)持續(xù)的反饋與優(yōu)化,K2“大黃蜂”逐步具備了在真實(shí)環(huán)境中高可靠行走的能力。相比單純的仿真訓(xùn)練,這種方法讓它不僅能在實(shí)驗(yàn)室中走得穩(wěn),更能在工業(yè)生產(chǎn)線、物流倉(cāng)儲(chǔ)等高復(fù)雜度場(chǎng)景中經(jīng)受住各種干擾,實(shí)現(xiàn)自然且穩(wěn)定的仿人步態(tài)。
同時(shí),開(kāi)普勒K2大黃蜂目前已經(jīng)可以通過(guò)分層模型 VLA+語(yǔ)義識(shí)別,聽(tīng)懂自然語(yǔ)言指令,按照需求給大家分發(fā)物品,完成多種任務(wù)。





