11小时前 形机器人身体里有什么？从头、躯干到手脚，一次讲清

作者：我不是毛毛     出品：具身智能前沿

导读

人形机器人的身体，是机械结构、驱动、感知、计算控制与供能通信共同工作的结果。头、躯干、手脚告诉我们部件大致在哪里，功能系统则解释它们怎样产生动作。本文从身体部位出发，讲清摄像头、关节、电机、电池与控制器各自的职责，再把它们连成一套完整的工作关系。

先分清：身体部位和功能系统是两种看法

看一台人形机器人，很容易先注意到它的脸、手指和膝盖。我更建议先记住一个区别：“装在哪里”和“负责什么”，是两个不同的问题。

按位置看，可以分成头部、躯干、上肢和下肢；按功能看，则要找出结构、驱动、感知、计算控制，以及供能通信。两种分法会交叉：摄像头可以在头部，关节位置传感器却分布在四肢，它们都属于感知系统。

下面以电驱双足人形机器人为主要对象，解释常见组成。具体器件、安装位置与选配方案随机型变化，不把示意当成某台机器的拆机记录。

宇树 G1 官网展示的整机与部件标注，含选配部件；用于辨认外形与位置，图中参数不代表所有机型或配置来源：宇树科技 G1 产品页

头部：给感知找一个合适的观察位置

人形机器人的头部常被用来安装观察环境、接收声音的器件。例如，宇树 G1 官方产品页列出了深度相机、三维激光雷达、麦克风阵列和扬声器。

这些部件做的事并不相同。普通彩色相机记录图像；深度相机提供距离信息；激光雷达通过主动测量获得空间信息。麦克风接收声音，扬声器输出语音或提示音。语音能否被理解、物体能否被识别，还需要后续的软件处理。

传感器负责取得信号，计算系统负责处理信号。头上看得到摄像头，并不意味着图像处理所需的计算单元也必须装在那里。“头部”是身体位置，“大脑”则常被用来比喻某些智能功能，不能直接画等号。

摄像头也可以装在靠近手的位置。宇树官方遥操作项目就提供了 G1 左右腕部加装 RealSense D405 或单目相机的方案，用来取得腕部视角。这属于可选的数据采集设备，不能当成所有 G1 的标配，也不同于手指上的触觉传感器。相机装在哪里，要看任务需要观察什么，以及视线是否容易被遮挡。

躯干：把结构、供电与计算连起来

躯干首先要承担结构连接：上接头和肩，下接腰髋，手臂与腿产生的力也要通过机身传递。外壳里面，还需要为计算、电池、供电线路、通信线束和散热留出空间。

这里可以把供电和通信分开理解。电池提供能量，经过电源管理与供电线路送往负载；通信线路传递测量结果和控制指令。电机转动需要电能，控制器还要知道电机该怎样转，两件事缺一不可。

把电池装进身体，也会改变质量分布。相同重量放在不同位置，整机的重心和转动特性会不同；计算单元与驱动器产生的热，又需要通过散热设计排出去。因此，躯干内部的布置同时受结构、运动和电气条件约束。

腰部也属于运动机构。它能否转动、能向哪些方向转动，取决于关节设计。腰的动作会改变上身姿态，配合手臂接近目标，也会改变身体的质量分布，需要纳入整机控制。

手臂和手：先到达，再建立合适的接触

手臂由连杆和关节连接而成。连杆是相邻关节之间的结构件，关节则允许它们按照设计的方向相对运动。肩、肘、腕的组合，决定末端能到哪里、以什么姿态到达。

如果末端需要转动后才能进入狭小空间，仅仅“长度够得着”仍可能不够；关节角度限制和周围障碍，也会限制可用的姿态。

到了目标附近，接下来靠末端执行器与物体接触。它可以是夹爪、灵巧手，也可以是专用工具。五指外形便于模仿某些人类操作，但末端采用什么形态，要看任务需要怎样接触和施力。

例如，夹住盒子与旋拧旋钮，对接触位置和运动方式的要求就不同。要让物体不滑落，还要考虑接触处的摩擦和施加的力；某些操作需要力或触觉反馈，不能只根据手指看起来有没有合拢来判断完成。

六维力／力矩传感器测的是三个方向的力和绕三个轴的力矩。它反映安装位置传递的合力与合力矩，并不直接给出每根手指各个接触点的受力。要了解局部接触情况，还需结合触觉等传感配置。

因此，看手的能力，要把机械结构、驱动与传感配置放在一起。宇树 G1 的官方配置表就把三指手及其触觉阵列列为相应配置下的选项，而非所有版本的统一配置。

关节里面：电机、传动和反馈分别管什么

从肩到膝，很多关节的外形像一个圆形模组。对常见的电驱方案，可以把内部职责拆开看。

电机把电能转成机械运动；驱动器按照控制要求调节送给电机的电流；传动机构把电机的输出传给关节。采用齿轮减速时，可以降低输出转速、提高输出转矩，也就是关节转动时施力的能力，但实际传动会有损耗。

有些关节采用无框电机，把定子和转子直接集成进机构。定子是固定部分，转子是旋转部分；“无框”省去的是独立电机外壳等组件，轴和轴承仍需由整机或关节设计提供。这种集成方式让电机与关节的机械设计更紧密地结合。

关节还需要测量。编码器是一类测量转动位置的传感器，让控制器知道轴转到了哪里；其他传感器可以提供力、转矩等信息，具体配置并不相同。

组成图展示了旋转输出的一种方案；电机也可以配合丝杠形成直线输出。例如，电机转动丝杠，而螺母不能随之转动时，螺母就会沿轴向移动，形成直线推拉。这是另一种传动方案，不能因为机器人能屈膝，就认定膝部一定装有丝杠。

发出指令之后，还要读回实际状态，才能修正动作。这就是反馈控制的基本关系。《Modern Robotics》的控制概览将它展开为控制器、驱动器、电机、机械机构与传感器之间的连接。

图中把驱动器、电机与传动合并为执行环节，实际硬件未必封装在一起。不同关节可以采用不同的传动路线，也有不经过齿轮减速的直接驱动。

双腿与双足：动作要通过地面才能站得住

腿部常见髋、膝、踝等关节，足部则承担与地面的接触。支撑腿要承受身体重量，脚与地面之间的接触力会直接影响整机运动。

机器人迈步时，一只脚抬起，另一只脚承担支撑；下一次落脚又会改变接触条件。因此，控制系统既要安排腿怎样摆动，也要处理身体怎样移动、脚下怎样受力。

MIT 的《Underactuated Robotics》用脚步位置、质心运动和关节运动之间的关系解释这类问题。质心可以理解为描述全身质量分布的一个代表点；手臂前伸、躯干倾斜，也会影响它的位置。

要持续控制动作，机器人需要获得身体和关节的状态。关节位置测量之外，惯性测量单元，也就是 IMU，可提供角速度与加速度信息，供状态估计使用。系统还可以利用力传感等信息判断接触，但不能据此认定每台机器都有相同的足底传感器。

所以，腿脚的职责不止是把机器人送到目标旁边。站着伸手时，下肢也在参与支撑，上肢的动作会影响全身。

把部件连起来，才是一台能动作的机器人

以机器人伸手取走桌上物体为例：视觉系统提供目标的位置等信息，规划系统安排接近与抓取动作，控制系统再把运动要求转换成关节的执行指令。驱动器调节电流，电机经传动机构带动手臂；编码器反馈实际转动位置，接触相关的传感信息帮助系统判断施力情况。

这些动作还要与全身支撑协调：手臂前伸时，身体的质量分布发生变化，腿足也要配合。电源持续供能，通信线路传递指令和状态，结构件承担并传递载荷。这里按功能拆开说明，各机型的软件和硬件划分可以不同。

理解到这里，再看人形机器人的外形，就能多看出一层关系。头部的观察入口、躯干内的能源与计算、手脚里的驱动和传感，共同支撑着一个动作。身体部位让我们找到器件，系统之间的连接，才解释了它为什么能工作。