02/12/2024
人形機器人進化中：探索人形機器人的核心構造
傳統工業機械手臂從汽車製造和電子產業的重複性工作做為起點，推動了工業自動化。隨著感測器和機器視覺的結合，機械手臂在隨機環境中更靈活，也為人形機器人奠定基礎。近年，隨著通用人工智慧（AGI）研究的推進與機器學習技術的進步，人形機器人逐漸具備動態學習和實時適應複雜環境的能力，開啟了其在服務、醫療和家庭助理等領域的應用前景。
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什麼是通用人工智慧AGI？
通用人工智慧（AGI, Artificial General Intelligence）是一種尚未實現，但被視為未來人工智慧重要發展方向的系統。不同於僅能在特定範疇內執行任務的 專用人工智慧（Narrow AI），如專注於自然語言處理的 GPT ，AGI 具有類似人類的學習、推理與適應能力，能夠跨越單一任務限制，在多種情境中展現靈活的理解力，並透過經驗持續成長與掌握新技能，最終實現真正的通用智慧。
而實現 AGI 面臨多重挑戰，如通用推理、跨領域學習及未知情境的適應能力，能自然與人類或環境互動亦是重要方向。人形機器人的出現提供了一種應用探索的可能性，人形機器人結合人工智慧技術，具備模擬人類行為、感知環境與自主行動的能力，為 AGI 融入現實場景提供了寶貴的實驗平台。
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人形機器人組成核心有哪些？
人形機器人主要由四大模組組成，包括感測模組、控制模組、執行模組和能源模組。這些模組協同運作，不僅可以模擬人類的動作，還能逐步實現自主行動，尤其在工業領域，這些機器人已具備在複雜的汽車工廠中執行裝配和搬運任務的能力，大幅提升生產效率並減少人力投入。
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感測模組
感測模組負責收集機器人周圍的環境數據，包括影像、聲音、溫度和位置等，通過視覺、觸覺、音頻和壓力等感測模組進行捕捉。由於人類有超過80%的知識是來自於視覺，視覺系統在人形機器人中扮演至關重要的角色。例如透過8 支攝影鏡頭的Tesla Optimus可以建構3D的物件與環境資訊，甚至是透過結合LiDAR、深度攝影機、超音波感測器等等裝置來實現多模態融合(multimodal fusion)，結合Occupancy Networks使機器人能精確感知環境，在動態場景中快速應對。要實現上述的功能，數據傳輸扮演關鍵的角色，確保各類感測數據能快速且穩定地傳輸至中央處理單元，同時為適應形機器人在空間受限且多感測器配置下的需求，連接方案需具備以下三項關鍵特性：
1. 實現高速類比/數位訊號：無論 AI 人形機器人的演算法多麼先進，依然需要仰賴高速連接解決方案，來傳輸高解析度影像的類比訊號或數十組以上的感測訊號。
2. 良好的屏蔽：訊號線路除了需要乘載高速訊號，還需要與動力系統配線分享有限的空間。良好的屏蔽不只要防止內部干擾，更需要考慮到人形機器人運作時對外在環境的干擾。
3. 輕量化與高強度設計：輕量化的連接解決方案不僅提升人形機器人的機動性，還能有效延長其續航力。設計時必須考量運動過程中震動對訊號傳輸的影響。
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控制模組
控制模組（Control Module）是機器人的智能核心，負責決策和運動控制，整合高效能晶片（如 CPU、GPU 或 AI 加速器）。除了硬體計算能力，AI 驅動的軟體更為關鍵，因為它賦予機器人自主決策、自我學習和環境適應能力。
例如，GPT 等大型語言模型可解讀傳感模組提供的非結構化數據（如圖像和語音），分析場景並生成指令。同時，強化學習（RL）幫助機器人通過試錯學習適應動態環境，優化決策。其他 AI 演算法（如路徑規劃和即時決策）進一步將指令轉化為具體動作，由執行模組即時完成。例如，機器人檢測到有人接近時，可根據 RL 優化選擇問候語，感知情緒變化時，AI 演算法可引導機器人提供安慰，營造更加自然的智能互動體驗。
人形機器人的控制模組與一般工業電腦不同，需要考慮以下三大關鍵特性：
1. 客製化緊湊空間設計：人形機器人內部空間有限，控制器模組要依據配置進行高度客製化，並考慮輕量化結構與接口配置。
2. 抗震性設計：人形機器人運動中的震動幅度往往超過車輛，控制器模組的強度設計需要考慮抗震與環境耐受性。
3. 散熱設計：人形機器人僅能採用無風扇控制模組，同時要解決高效能晶片和演算法運算產生熱量累積。良好的無風扇散熱設計將會是避免過熱影響系統性能的關鍵。
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執行模組
執行模組負責將控制模組的指令轉化為具體動作（如行走、舉重和旋轉等精密操作），此模組包含各類致動器（如伺服馬達和液壓設備）、控制與驅動系統（如伺服驅動器）、輔助機械元件（如減速器、外殼和軸承），以及位置反饋元件（如編碼器）。伺服驅動器根據控制信號調節馬達輸出，通過減速器（如諧波減速器）來提升扭矩與精度，而編碼器持續監控運動位置，實現精確反饋。這些高精度元件的協同，使得機器人能夠模仿人類的基本運動模式，提供靈活且穩定的運動表現。
而執行模組中的連接系統與機構零件需承受高頻動態應力。為滿足機器人高負載和頻繁運動的需求，除了核心的驅動系統之外，尚需要機構零件與連接系統解決下列問題：
1. 輕量且高強度的連接系統：採用專用材料，減輕重量的同時保持高強度，抵抗運動中的應力或是關節部分多角度高次數撓曲。
2. 多樣化的連接方案：人形機器人的線纜與連接在不同的執行模組有截然不同的需要。主軀幹的動力傳輸需求與手部關節靈活且彈性的需求就完全不同。需要有多樣化的連接方案，包括線纜的選用以及連接器的設計都至關重要。
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電源模組
電源模組是機器人運行的動力核心，為系統提供穩定電力，確保各模組在執行不同任務時具備充足能量。包含電池管理系統（BMS）、逆變器、電力分配單元（PDU）和冷卻系統，並根據任務負載自動分配電力，保障關鍵部件的穩定運作，避免運行中斷。根據應用需求，電力補充方式包括：
電池更換：適用於高強度、長時間任務，快速更換以減少停機時間。
充電站：適用範圍固定的應用（如自動配送或清潔），機器人可在任務間隙自動導航至充電站補電。
有線充電：適合夜間或休息時段，提供穩定電力。
在充電過程中，連接器的核心作用是穩定且高效地將電力傳輸至電源模組，避免外部干擾或過熱現象影響充電效率。為確保充電過程的穩定性和安全性，連接器需具備以下四項關鍵特性：
1. 高電流承載能力：支持大電流下穩定運行，防止過熱和性能下降。
2. 耐高溫與防火阻燃設計：確保長時間運行安全，降低短路風險。
3. 低阻抗與散熱設計：減少能量損耗，降低發熱，提升電力傳輸效率。
4.高度耐用性與抗震設計：在多次插拔和震動條件下保持穩定連接，並具備防水、防塵功能，延長使用壽命。
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結論
雖然人形機器人的商業應用目前尚不如特斯拉自動駕駛系統成熟，但技術基礎正在穩步發展，展示出巨大潛力。特斯拉執行長伊隆·馬斯克預測，到2040年，人形機器人的數量將超越人類，達到100億台。隨著技術進步和生產成本下降，人形機器人下一步將走入規模化生產。
針對人形機器人的四大模組需求，Nextron 提供全方位的連接器解決方案，協助客戶實現模組設計中的穩定、高效連接。Nextron 的連接器已被國際領先的人形機器人公司採用，並在多種應用場景中展現了卓越的性能。不論是數據傳輸、穩定電力供應，還是嚴苛環境下的耐受性，Nextron皆能根據模組特性量身打造最佳方案，加速人形機器人開發進程，確保您應對複雜多變的應用需求。
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參考文獻
[1] Tong, Y., Liu, H., & Zhang, Z. (2024). Advancements in humanoid robots: A comprehensive review and future prospects. *IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica*, 11(2), 301–328. https://www.ieee-jas.net/article/doi/10.1109/JAS.2023.124140
[2] Brudniok, S., Albers, A., Ottnad, J., Sauter, C., & Sedchaicharn, K. (2007, June). Design of Modules and Components for Humanoid Robots. Presented at an international conference. https://www.researchgate.net/publication/221786054_Design_of_Modules_and_Components_for_Humanoid_Robots
