名称：一种人形机器人同机器狗合体且两种模式相互切换的方法

专利号：202510998218.9

专利权人：安东

技术领域

本发明涉及人形机器人和机器狗的AI控制。

背景技术

检索中国专利文献，无相同发明专利；查阅IFR(国际机器人联合会)2023年度报告，复合形态机器人条目显示：no commercial cases。有专家预测2025年将是人形机器人的元年，而目前情况是其自身运算及结构较复杂、重量较重(平均几十公斤)、耗电量大(平均续航时间只2小时)、售价高(平均价格几十万元人民币)、应用场景少(还不能替代人救援抢险等)。所以要实现人形机器人的商业化，照此还需要经历多年时间地努力。

发明内容

本发明是为弥补人形机器人在运算及结构、重量、耗电、价格、运用场景方面的不足，进而加速其实现商业化。

一、本发明是针对人形机器人的具有特定用途的方法(使用方法)，技术特征首先是人形机器人同机器狗合体的具身化：

1、人形机器人同机器狗的合体应用也是可行的，因为二者有很多相同或相近的地方，如两者共享机器人学的核心理论(运动学、控制论)和硬件(传感器、处理器)等。为实现两者的合体优化运算、减重量、节能、降成本，可使用具有兼容、神经网络的控制运算器，如英伟达Jetson Xavier/Orin系列和HOVER神经网络控制器等；同样，两者的合体应最大可能统一设计、共用监测及执行部件：如采用高密度电池组(锂聚合物电池、固态电池)，统一供电标准(如48V.DC)；共用电机驱动器(如ElmoGold系列、Copley AcceINet)，可兼容不同功率电机控制等。另外，为使人形机器人模式与机器狗模式能顺畅互换，可将人形机器人上肢设计与下肢长度一样(为四足平衡)；还可使用如模块化夹爪/足端(如SchunkWSG 50、Boston Dynamics Spot足垫)，来达到二者合体的适配等等。

2、因为机器狗比人形机器人结构和动作简单，如关节(自由度)电机少于23个等因素，所以在保持人形机器人基本功能不变前提下，可将冗余的结构部件等去掉并优化后，形成兼容、共用、适配的人形机器人同机器狗合体。利用AI大模型DeepSeek及该发明，先来优化宇树人形机器人G1参数(续航时间1-2小时、站立身高1.27米、外形尺寸1270×450×200毫米、小腿+大腿长O.6米、体重35公斤、关节电机23个、售价10万元)；而AI大模型DeepSeek的先进、准确、高效、便捷优势，已被广泛使用。资料显示深圳新闻网报：2月16日，深圳市基于政务云环境面向全市各区各部门正式提供DeepSeek模型应用服务，实现了基于DeepSeek的人工智能政务应用一体化赋能升级；北京日报：中国医学科学院北京协和医学院药物研究所，最近已完成DeepSeek-R1模型的部署，并计划将其应用于高精度药物靶点预测、大规模分子库筛选及实验室日常数据分析等领域。为此给DeepSeek提出问题是：人形机器人结构较复杂、重量35公斤、续航时间2小时、售价10万元；如果保持他基本及主要功能不变的条件下，把冗余的结构部件拆除后，其结构、重量、续航时间、售价等大致会变多少？按DeepSeek深度思考及推理后回答及实际结果：结构简化、简化后重量24公斤(减少约30％，移除冗余关节、支撑结构、装饰性外壳等)、简化后续航3小时(提升50％，移除冗余电机和传感器可降低整体功耗)、简化后售价7万元(降低30％，移除高成本部件如电机、传感器、复杂结构件)。可见如维持续航时间2小时不变的话，又能减少电池重量(容量)；使其人形机器人的重量会比简化后的24公斤更轻，比简化后的售价7万元更便宜。

3、人形机器人同机器狗合体(人形机器人模式和机器狗模式可相互切换)模型实验结果：

A.实验模型参数：人形机器人(站立高30厘米)同机器狗(四足站立高16厘米)合体身长28厘米、身宽10厘米、重量0.74公斤。

B.人形机器人模式实验数据：行走距离211厘米、行走时间12秒、其速度17.6厘米/秒。

C.机器狗模式实验数据：同上路况行走距离相同、行走时间8秒、行走速度26.4厘米/秒。

D.根据分析实验数据得出结论：人形机器人模式要比机器狗模式多耗能50％。另外有人形机器人单一模式可续航26分钟；如使人形机器人模式与机器狗模式，每间隔相同时间就相互切换一次，26分钟后两种模式续航均为13分钟；又因为机器狗模式中可节能50％，即可让人形机器人模式多续航6.5分钟(合计续航19.5分钟)；所以二者合体总续航时间为32.5分钟，比单一人形机器人模式续航26分钟，延长了6.5分钟；同时较单一模式还增加了机器狗模式及功能，扩展了应用场景。

二、本发明技术特征还表现在人形机器人同机器狗合体，是可根据应用场景采用自动或人工控制，从人形机器人模式切换到机器狗模式，再从机器狗模式切换到人形机器人模式地不断相互转换的方法。实现合体的双模式相互切换的核心技术原理与硬软件配置为：

1、结构兼容性设计(具身模块)

原理：通过物理结构共享降低切换复杂度。

硬件：

·核心结构共享：设计前述人形机器人同机器狗合体一样的核心模块。该模块包含主控制器(如英伟达Jetson Xavier/Orin)、高密度电池组(如锂聚合物电池或固态电池，统一采用48V DC标准)、核心传感器套件(如IMU、主视觉摄像头)以及通信模块等，以实现两种模式切换时的兼容、共用；

·模块化关节：采用兼容型伺服电机(如Maxon EC-i40+Harmonic Drive减速器)，使上肢(人形机器人)与前肢(机器狗)关节可互换等；

·末端执行器适配：设计或选用模块化的末端执行器接口(如基于Schunk WSG 50夹爪的接口标准或Boston Dynamics Spot足垫的接口标准)。在机器狗模式下，上肢可快速更换为功能性的狗足式或爪式末端执行器(强调物理适配接口设计)；在人形机器人模式下，可更换为多指灵巧手或工具夹持器。

2、环境感知(模块)与决策(模块)

原理：基于多源数据实时选择最优模式。

硬件：

·激光雷达：VelodyneVLP-16(建图与障碍检测)；

·深度相机：IntelRealSenseD455(物体/地形识别)；

·IMU：ADIS16470(姿态反馈)；

·麦克风阵列：ReSpeaker 6-Mic(语音指令接收)。

·切换指令生成与执行：当决策模块判定需要合体切换行动模式时(例如，环境感知模块检测到长距离平坦地形且无需手部操作时，上传给决策模块决定由人形机器人行走模式切换到机器狗模式行走以节能)，控制器(决策、执行)根据当前相关信息生成具体的切换指令，包括即从当前姿态(人形机器人站立)安全平稳地过渡到目标姿态(机器狗四足站立)的关节运动轨迹，或反之；包括通过共用的电机驱动器(如Elmo Gold系列或Copley AccelNet驱动器)向相关关节电机发送精确的位置及力矩指令，执行上述运动规划；还包括末端执行器更换(如需要)，而触发机械臂或辅助机构执行末端执行器的自动快拆与安装操作等。

3、运动规划与控制(执行模块)

原理：生成安全的姿态转换轨迹并精确执行。

硬件：

·主控制器：NVIDIA Jetson AGXOrin(运行ROS2)；

·关节驱动器：Elmo Gold Twitter(1000Hz刷新率)。

·核心算法：姿态转换规划采用逆运动学(IK)优化算法。

·控制算法切换：控制器加载并切换到对应模式(人形机器人或机器狗)的运动控制算法库。人形机器人模式算法库负责双足步态平衡、行走；机器狗模式算法库负责四足步态(如小跑、踱步)控制。

·动态平衡控制：基于零点力矩点(ZMP)稳定性准则的PD控制器。

·步态生成：人形机器人模式用ZMP预观控制，机器狗模式用MIT Cheetah单腿弹簧模型。

4、能源动态管理(模块)

原理：利用功耗模型预测并优化能源分配。

硬件：

·电流传感器：INA226(精度±0.1％)；

·电池管理芯片：TIBQ40Z80。

·建立基础功耗模型(可基于实测数据或利用AI如DeepSeek进行拟合优化)：该模型包含两种模式在不同任务负载下的功耗特征。

·实时续航预测与任务规划：控制器集成该功耗模型。在执行任务前或任务中，根据当前电池电量、任务路线规划(长度、预估地形)、任务内容(预估各路段所需模式及动作)以及基础功耗模型，来预测剩余续航时间。

·动态模式调度：为实现最大续航或满足任务时限，控制器动态调度模式切换时机。在长距离移动任务中，主动安排机器狗模式(较人形机器人模式节能约50％，优先安排)和人形机器人模式按预设或计算出的时间比例交替工作，以延长续航时间。

三、人形机器人同机器狗合体后，拓展了应用场景(具有了两种模式下的独有应用场景)：

特别是以机器狗模式(重心稳定、负重能力强)行进时，比人形机器人模式(视野宽阔、能完成类人工作)行进节省能源50％左右。如在石油平台巡检(狗四足移动+人形上肢操作阀门)、战场救援(双脚跨越障碍+双手处置+四足负重运输)应用场景中，使人形机器人同机器狗合体在两种模式之间，每相隔同样工作时间就相互切换一次，2小时后(人形机器人模式和机器狗模式各工作1小时)所节省能源，可再供二者合体在上述场景中多工作40分钟；即比单一人形机器人模式续航时间2小时，二者合体续航时间可达2小时40分钟；而且单一人形机器人模式或单一机器狗模式，还不能完成如战场救援等场景的工作。如果也维持二者合体续航时间2小时的话，同样可再减轻电池重量(容量)，从而进一步减少人形机器人同机器狗合体的重量及售价等。

这种人形机器人同机器狗合体应用的创想与实施，首先是冲破了人们的惯性思维束缚——通常认为人与狗是两个不同物种，即使是机器人和机器狗也不能互换；再有因人形机器人与机器狗现在分工不同，所以在两者合体设计、制造过程中，就要先解决了两者合体如何兼容、共用、适配等一些技术问题；再就是借助了机器狗相对设计制造简单、重心稳定、负载率大、且售价低(约1万元人民币)、节能等优点，才能开拓出两者合体的应用场景：例如石油平台巡检(狗四足移动+人形上肢操作阀门)、战场救援(双脚跨越障碍+双手处置+四足负重运输)等；并能实现简化运算及结构、减轻重量(平均重十几公斤)、减少电耗(平均续航几小时以上)、降低售价(平均单价几万元人民币)等，加速人形机器人的商业化进程。

具体实施方式

一、在人形机器人同机器狗合体身上使用具有兼容、神经网络的控制运算器件，如英伟达Jetson Xavier/Orin系列和HOVER神经网络控制器等；在两者合体身上共用监测及执行部件：如高密度电池组(锂聚合物电池、固态电池)，统一供电(如48V.DC)；电机驱动器(如ElmoGold系列、Copley AcceINet)等；调整固定上肢与下肢长度一样(为转换四足行走时平稳)；拆卸掉人形机器人与机器狗非适配部分，如取消脚趾独立活动和手指关节等；或安装转换模块夹爪/足端(如SchunkWSG 50、Boston Dynamics Spot足垫)，达到二者合体的适配度。

二、移除人形机器人的冗余关节、支撑结构、装饰性外壳、冗余电机和传感器等，优化结构。

三、结构兼容性设计(具身模块)

硬件：

·核心结构共享：设计前述人形机器人同机器狗合体一样的核心模块。该模块包含主控制器(如英伟达Jetson Xavier/Orin)、高密度电池组(如锂聚合物电池或固态电池，统一采用48V DC标准)、核心传感器套件(如IMU、主视觉摄像头)以及通信模块等，以实现两种模式切换时的兼容、共用；

·模块化关节：采用兼容型伺服电机(如Maxon EC-i40+Harmonic Drive减速器)，使上肢(人形机器人)与前肢(机器狗)关节可互换等；

·末端执行器适配：设计或选用模块化的末端执行器接口(如基于Schunk WSG 50夹爪的接口标准或Boston Dynamics Spot足垫的接口标准)。在机器狗模式下，上肢可快速更换为功能性的狗足式或爪式末端执行器(强调物理适配接口设计)；在人形机器人模式下，可更换为多指灵巧手或工具夹持器。

四、环境感知(模块)与决策(模块)

硬件：

·激光雷达：VelodyneVLP-16(建图与障碍检测)；

·深度相机：IntelRealSenseD455(物体/地形识别)；

·IMU：ADIS16470(姿态反馈)；

·麦克风阵列：ReSpeaker 6-Mic(语音指令接收)。

·切换指令生成与执行：当决策模块判定需要合体切换行动模式时(例如，环境感知模块检测到长距离平坦地形且无需手部操作时，上传给决策模块决定由人形机器人行走模式切换到机器狗模式行走以节能)，控制器(决策、执行)根据当前相关信息生成具体的切换指令，包括即从当前姿态(人形机器人站立)安全平稳地过渡到目标姿态(机器狗四足站立)的关节运动轨迹，或反之；包括通过共用的电机驱动器(如Elmo Gold系列或Copley AccelNet驱动器)向相关关节电机发送精确的位置及力矩指令，执行上述运动规划；还包括末端执行器更换(如需要)，而触发机械臂或辅助机构执行末端执行器的自动快拆与安装操作等。五、运动规划与控制(执行模块)

硬件：

·主控制器：NVIDIA Jetson AGXOrin(运行ROS2)；

·关节驱动器：Elmo Gold Twitter(1000Hz刷新率)。

·核心算法：姿态转换规划采用逆运动学(IK)优化算法。

·控制算法切换：控制器加载并切换到对应模式(人形机器人或机器狗)的运动控制算法库。人形机器人模式算法库负责双足步态平衡、行走；机器狗模式算法库负责四足步态(如小跑、踱步)控制。

·动态平衡控制：基于零点力矩点(ZMP)稳定性准则的PD控制器。

·步态生成：人形机器人模式用ZMP预观控制，机器狗模式用MIT Cheetah单腿弹簧模型。

六、能源动态管理(模块)

硬件：

·电流传感器：INA226(精度±0.1％)；

·电池管理芯片：TIBQ40Z80。

·建立基础功耗模型(可基于实测数据或利用AI如DeepSeek进行拟合优化)：该模型包含两种模式在不同任务负载下的功耗特征。

·实时续航预测与任务规划：控制器集成该功耗模型。在执行任务前或任务中，根据当前电池电量、任务路线规划(长度、预估地形)、任务内容(预估各路段所需模式及动作)以及基础功耗模型，预测剩余续航时间。

·动态模式调度：为实现最大续航或满足任务时限，控制器动态调度模式切换时机。在长距离移动任务中，主动安排机器狗模式(较人形机器人模式节能约50％，优先安排)和人形机器人模式按预设或计算出的时间比例交替工作，以延长续航时间。

七、人形机器人同机器狗合体的两种模式相互切换应用举例：

·应用场景：战场救援。

·初始模式：人形机器人模式。

·任务：途经平坦草地和碎石废墟，搬运伤员和物资返回。

步骤1、感知模块探测前方地形为平坦草地后上传信息，决策模块为节能自动或由人工操控，触发执行模块切换模式动作，切换成功后，合体以机器狗模式(上肢快速更换为功能性的狗足式或爪式末端执行器)行走。

步骤2、感知模块探测地形变为崎岖碎石，决策模块判定机器狗模式跨越效率可能低于人形机器人模式，或预设规则要求途径复杂障碍用人形机器人双足，触发执行模块切换回人形机器人模式(上肢快速更换为多指灵巧手或工具夹持器)动作，切换成功后，合体以人形机器人模式双足跨越障碍。

步骤3、到达伤员地点后保持人形机器人模式，执行伤员检查处置(视觉观察、双手作业)、搬运(上肢操作)等任务。

步骤4、背负伤员和物资负重返回时，决策模块根据感知模块信息判断合体负载重且地形平坦，可能机器狗模式更稳定且节能，随即触发执行模块切换到机器狗模式(上肢快速更换为功能性的狗足式或爪式末端执行器)，最后合体以机器狗模式负重返回。

·能源管理：在整个任务中，续航预测模块持续运行。若发现当前耗电大无法返回，调度器可提前在剩余平坦路段增加机器狗模式的比例以节电，或提示操作员。