天工Ultra的“马拉松日记”

备战中的天工机器人备战中的天工机器人。。

    4月19日，在由中央广播电视总台北京总站参与联合主办的全球首个人形机器人半程马拉松比赛中，天工Ultra机器人夺得冠军，成为人们关注的焦点。

    天工Ultra是如何“成长”的？ 新技术突破的背后又有哪些不为人知的故事？

    1月22日：历时八小时天工Ultra首次挑战半程马拉松

    本次完成半程马拉松的天工Ultra是“天工”家族的一员，由北京人形机器人创新中心设计研发。

    在“天工”家族里，天工Lite诞生于2024年4月；天工Pro在Lite的基础上做了升级，加载了更多的传感器，适合在家庭和工厂工作；天工Max速度更快、续航更久、能扛更多重物。

    而此次参赛的天工Ultra是专门为马拉松设计的。它有一双大长腿，迈出的步伐更大，髋部关节更大更结实，能输出更高的扭矩，它还自带内增高，奔跑时可以缓冲。为了满足长距离的奔跑，它还可以快速换电。

    今年1月22日，天工Ultra第一次尝试21公里半程马拉松长跑。

    当时的它还需要用绳子将一端固定在吊车上，工程师在电瓶车上用遥控器控制它的运动方向。合作稍微不默契，机器人就会被绊倒。电瓶车上，几位技术人员在时刻检测机器人的关节温度、奔跑速度、电池电量等关键数据，为后续调优提供重要的数据支持。

    天工Ultra的第一次尝试长跑21公里，用了8个小时，距离跑进3个小时的小目标还很遥远。但这一次测试，天工Ultra在续航、关节发热、稳定性上都经受住了考验。

    2月21日：训练大升级天工Ultra有了人类领跑员

    每一次训练都是一次经验的累积，团队都会进行系统优化，天工Ul-tra也在快速成长。第二次测试，天工Ultra有了新搭档——人类领跑员。

    今年2月21日，天工Ultra进行户外测试。这一次，它的操控方式升级，摆脱了遥控器，取而代之的是一个电子信标。奔跑时，这个信标需绑在领跑员的身上，引领天工Ultra前进。

    对比第一次测试，天工Ultra表现更加稳定，跑步姿势微微前倾，脚步更加轻盈，摆臂和步幅明显变大。

    算慢了、算错了，摔！机器人跑步为什么这么“难”？

    不同于人类可以采用顺其自然又省力的奔跑姿态，机器人奔跑要靠髋关节带动没有感知能力的腿和脚去奔跑，每一次落地，膝盖和脚都要经受住全身带来的压力缓冲。而这些位置也是天工测试中最容易出问题的地方，比如髋关节螺丝脱落、踝关节松动等。

    每一个问题的解决都需要关节结构设计、材料等同步提升，更大的挑战是，机器人的反应速度还要做到足够快。

    机器人没有“本能”，只有程序，没有“经验”，只有计算。为了不摔，它必须实时计算未来几百毫秒内的重心、速度、姿态变化，并在毫米、毫秒的尺度内，控制几十个关节协同动作。

    此外，机器人没有肌肉和弹性的肌腱，关节是“硬邦邦的”，如果不想一落地就断，工程师们就得靠计算，通过柔顺控制、抗阻调节、力矩规划，让金属关节学会“软着陆”。这些都要依靠强大的实时算力，算慢了，摔；算错了，也摔。

    三个月破解多重难题机器人学会跑步，拢共分几步？

    机器人学会跑步的算法大概分三步：第一步，模仿学习。学习人类的动作，一般是用动捕设备，照葫芦画瓢。

    第二步，学习强化。在虚拟平台，机器人把学来的理论付诸实践，靠着大力出奇迹的学习态度，成百上千次尝试，学会自主奔跑。

    第三步，在现实世界走两步。如果又摔倒了，就回去重学。就这样不断优化，不断反复在虚拟和现实中跳跃，直到掌握人类的跑步方法。

    和人类比起来，机器人要想更低能耗、更稳定地跑步，确实还需要破解很多难题。但在短短3个月内，机器人从稳定行走到快速奔跑，从短跑到21公里的长跑，进步速度不断加快。

    在这个过程中，机器人的散热、零部件的稳定性、整机的可靠性、算法的优化、电池的续航等一系列曾经卡顿的难题，都被一一破解。21公里的长跑，解决的是技术问题、工程问题、更是机器人从实验室走向可用、可规模化使用的产业问题。

    一个个技术团队的创新和研发，一个个人类工程师的陪跑，才有了今天的机器人半程马拉松。以创新为驱动，机器人们今天所跑出的每一小步，都将成为未来发展的一大步。

    来源：央视新闻