單人站立時長超5小時、日均搬貨量約1噸，人形機器人如何勝任車間物流任務？江南大學智能制造學院教授張秋菊團隊攜手無錫蔚瀚智能科技有限公司、無錫威孚高科技集團股份有限公司自主研發的雙臂輪腿式人形機器人“艾德”，為解決這一難題提供了方案。“艾德”雙臂抓取力達6公斤以上，可以在良好鋪裝路面快速移動。在智慧車間物流場景下，“艾德”機器人有望成為一名出色的車間“搬運能手”。
“‘艾德’身高1.7米，全身具有32個自由度，擁有一雙6電缸驅動的五指靈巧手。它不僅可以輕松抓起數公斤重物，還能進行類人五指靈巧操作，是一臺名副其實的全尺寸工業人形機器人。”張秋菊近日接受科技日報記者采訪時介紹。
安裝“強關節”
傳統車間物流搬運工作以人工為主，物料員需要頻繁往返于倉庫和生產線之間，完成一系列移動運輸任務和輔助上下料作業。而在智慧車間物流場景下，機器人可以代替物料員進行柔性物料搬運，助力車間物流朝智能化、自動化方向發展。
打造智慧車間物流場景，關鍵在于為機器人打造與人類相似的骨骼框架與關節系統等機械構造，使其具有良好的操作和運載能力，以適應車間物流柔性化作業需求。其中，關節技術的優劣直接決定了機器人的有效負載、靈活性、精確性和耐用性。
目前，人形機器人通常采用旋轉關節驅動方案，通過無框力矩電機與諧波減速器的結合，實現高扭矩動力輸出。但傳統的諧波減速器使用的漸開線齒形結構承載能力較小，不僅會造成機器人關節臃腫，增加機器人自重與體積，還大大限制了其空間動作能力和工作負載。
如何在確保高扭矩輸出的同時，實現機器人關節的輕量化與小型化，是團隊需要攻克的一道難題。當前，國內外許多專家學者都在致力于傳動結構優化，部分企業已在關節模組上應用了單圓弧齒形。這雖然減小了關節模組的體積，但在抗金屬疲勞能力上效果不夠理想。后來，團隊經過多次試驗與總結，發現雙曲線齒形的諧波關節模組體積僅是普通齒形的30%，承載力卻是傳統關節模組的1—2倍。“艾德”使用的雙曲線齒形關節模組，顯著提升了關節運動能力與負載性能，更好適應了高扭矩、高精度的工作條件，滿足了機器人關節小型化、輕量化的設計指標。
配備“靈巧手”
“艾德”不僅生得“孔武有力”，干起活來還“心靈手巧”。它可以在研究人員的監督下抓取工具，也可以分揀物流箱內不同種類貨物，并與人類簡單交互。這得益于研究團隊開發的五指靈巧手技術。
人體的206塊骨頭中，有54塊在手上。人手運動看似平常，卻能勝任從精細物體抓取到復雜工具操作等多種任務。用機械運動復現人手的操作功能，是一個重大挑戰。
“艾德”裝配的靈巧機械手，內置6個小型直線電缸，采用精密連桿傳動方案。該機械手具有6個主動自由度、9個被動自由度，每根手指都由獨立電缸驅動，可以輕松實現握拳、豎掌、捏取等動作，更好復現了人類手勢。該機械手采用全鋁合金打造，總重不到0.6公斤，輕盈美觀、體積小巧。
研究人員介紹，這只手的另外一個亮點在于所有組件都集成到了掌內。這意味著它無需額外部件，就能連接到現有的機械臂上。在實驗中，機械手在拿鋼筆、拎料箱、用掃描槍掃碼糾錯等多種車間工作場景中表現良好。
踏上“風火輪”
要想成為一名合格的“物流員”，“艾德”既要跑得快，更要跑得穩。
當下，普通物流倉儲車間建筑面積已達1000平方米左右，而物料倉與生產線之間的距離通常設置在50米以上。為滿足運輸要求，機器人單日需在倉庫與生產線間往返100余次，日行里程有時甚至會超過16千米。這對機器人的運動速度與穩定性提出了較高要求。
為了讓“艾德”在車間“跑”得又快又穩，研究團隊采用輪腿式構型，簡化了運動算法流程，降低了機器人在平衡控制上的芯片算力占用。“僅僅是底盤結構，我們就做了三次迭代。我們對上肢進行輕量化處理，將重心完全降在了底盤高度，解決了前代樣機加減速振動和重心偏移問題，使‘艾德’跑得更快，并兼具良好的操控性與穩定性。”張秋菊介紹。
“‘艾德’測試運動速度為2米/秒，潛在運動速度大于15千米/小時，能夠穩定加減速、轉向、爬坡，達到了智慧車間物流的基本要求。”江南大學智能制造學院碩士研究生陳蘇芃說，“艾德”還搭載了一臺48伏特鋰電池，應用電源管理技術，確保可以在額定狀態下持續工作超5小時。
“當前，‘艾德’已經初步通過車間物流功能性論證，可以完成簡單的物流搬運演示。未來，我們希望進一步提升機器人的智力水平、感知能力、雙臂協同和靈巧操作能力，讓‘艾德’有機會走進企業，在工業應用場景中大顯身手。”張秋菊說。
單人站立時長超5小時、日均搬貨量約1噸，人形機器人如何勝任車間物流任務？江南大學智能制造學院教授張秋菊團隊攜手無錫蔚瀚智能科技有限公司、無錫威孚高科技集團股份有限公司自主研發的雙臂輪腿式人形機器人“艾德”，為解決這一難題提供了方案。“艾德”雙臂抓取力達6公斤以上，可以在良好鋪裝路面快速移動。在智慧車間物流場景下，“艾德”機器人有望成為一名出色的車間“搬運能手”。
“‘艾德’身高1.7米，全身具有32個自由度，擁有一雙6電缸驅動的五指靈巧手。它不僅可以輕松抓起數公斤重物，還能進行類人五指靈巧操作，是一臺名副其實的全尺寸工業人形機器人。”張秋菊近日接受科技日報記者采訪時介紹。
安裝“強關節”
傳統車間物流搬運工作以人工為主，物料員需要頻繁往返于倉庫和生產線之間，完成一系列移動運輸任務和輔助上下料作業。而在智慧車間物流場景下，機器人可以代替物料員進行柔性物料搬運，助力車間物流朝智能化、自動化方向發展。
打造智慧車間物流場景，關鍵在于為機器人打造與人類相似的骨骼框架與關節系統等機械構造，使其具有良好的操作和運載能力，以適應車間物流柔性化作業需求。其中，關節技術的優劣直接決定了機器人的有效負載、靈活性、精確性和耐用性。
目前，人形機器人通常采用旋轉關節驅動方案，通過無框力矩電機與諧波減速器的結合，實現高扭矩動力輸出。但傳統的諧波減速器使用的漸開線齒形結構承載能力較小，不僅會造成機器人關節臃腫，增加機器人自重與體積，還大大限制了其空間動作能力和工作負載。
如何在確保高扭矩輸出的同時，實現機器人關節的輕量化與小型化，是團隊需要攻克的一道難題。當前，國內外許多專家學者都在致力于傳動結構優化，部分企業已在關節模組上應用了單圓弧齒形。這雖然減小了關節模組的體積，但在抗金屬疲勞能力上效果不夠理想。后來，團隊經過多次試驗與總結，發現雙曲線齒形的諧波關節模組體積僅是普通齒形的30%，承載力卻是傳統關節模組的1—2倍。“艾德”使用的雙曲線齒形關節模組，顯著提升了關節運動能力與負載性能，更好適應了高扭矩、高精度的工作條件，滿足了機器人關節小型化、輕量化的設計指標。
配備“靈巧手”
“艾德”不僅生得“孔武有力”，干起活來還“心靈手巧”。它可以在研究人員的監督下抓取工具，也可以分揀物流箱內不同種類貨物，并與人類簡單交互。這得益于研究團隊開發的五指靈巧手技術。
人體的206塊骨頭中，有54塊在手上。人手運動看似平常，卻能勝任從精細物體抓取到復雜工具操作等多種任務。用機械運動復現人手的操作功能，是一個重大挑戰。
“艾德”裝配的靈巧機械手，內置6個小型直線電缸，采用精密連桿傳動方案。該機械手具有6個主動自由度、9個被動自由度，每根手指都由獨立電缸驅動，可以輕松實現握拳、豎掌、捏取等動作，更好復現了人類手勢。該機械手采用全鋁合金打造，總重不到0.6公斤，輕盈美觀、體積小巧。
研究人員介紹，這只手的另外一個亮點在于所有組件都集成到了掌內。這意味著它無需額外部件，就能連接到現有的機械臂上。在實驗中，機械手在拿鋼筆、拎料箱、用掃描槍掃碼糾錯等多種車間工作場景中表現良好。
踏上“風火輪”
要想成為一名合格的“物流員”，“艾德”既要跑得快，更要跑得穩。
當下，普通物流倉儲車間建筑面積已達1000平方米左右，而物料倉與生產線之間的距離通常設置在50米以上。為滿足運輸要求，機器人單日需在倉庫與生產線間往返100余次，日行里程有時甚至會超過16千米。這對機器人的運動速度與穩定性提出了較高要求。
為了讓“艾德”在車間“跑”得又快又穩，研究團隊采用輪腿式構型，簡化了運動算法流程，降低了機器人在平衡控制上的芯片算力占用。“僅僅是底盤結構，我們就做了三次迭代。我們對上肢進行輕量化處理，將重心完全降在了底盤高度，解決了前代樣機加減速振動和重心偏移問題，使‘艾德’跑得更快，并兼具良好的操控性與穩定性。”張秋菊介紹。
“‘艾德’測試運動速度為2米/秒，潛在運動速度大于15千米/小時，能夠穩定加減速、轉向、爬坡，達到了智慧車間物流的基本要求。”江南大學智能制造學院碩士研究生陳蘇芃說，“艾德”還搭載了一臺48伏特鋰電池，應用電源管理技術，確保可以在額定狀態下持續工作超5小時。
“當前，‘艾德’已經初步通過車間物流功能性論證，可以完成簡單的物流搬運演示。未來，我們希望進一步提升機器人的智力水平、感知能力、雙臂協同和靈巧操作能力，讓‘艾德’有機會走進企業，在工業應用場景中大顯身手。”張秋菊說。
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