一、人形机器人头部设计的重要性

人形机器人头部作为与人交互的关键部分，其设计至关重要。不仅要具备功能性，还需在外观上更加拟人化，以提高人与机器人的交互体验。

人形机器人头部是拟人机器人的重要组成部分，是拟人化程度最直观的标志。它能给人以亲切感，消除人与机器人之间的心理障碍，有助于提高其社交能力。同时，头部集成了听觉、视觉、嗅觉等功能，是认知外界环境、实现与人无障碍交流的重要感知系统。

当前，众多研究学者从形似和功能方面对人形机器人头部进行了深入研究。例如，无锡无界探索科技获得的 “一种人形机器人快速点头摇头运动机构” 专利，为人形机器人赋予了更加自然、灵活的头部运动能力，标志着在机器人交互和人机协作领域迈出了重要一步。这一技术不仅在技术细节上有创新，包括机架、摇头组件和点头组件等结构的设计，还在应用场景上有广泛前景，如社交、服务和教育等领域。

科大讯飞开放平台研发总监刘可为在 “2024 中国人形机器人生态大会” 上，围绕 “多模态 + 大模型，构建人形机器人新交互” 这一主题展开演讲。提出了由视听融合的感知交互、基于大模型的机器人大脑和软硬件一体封装三部分构成的解决方案，以降低人机交互的使用门槛，提升人形机器人的交互能力。

在设计面部时，主流机器人公司主要采用两种策略：一种是基于集体文化共识，选择中立和抽象的图像，通过符号化的情感传达满足人类对情感表达的基本需求；另一种是追求极致的逼真度，努力再现人类面部的细节。但这两种方案的落地都面临许多挑战。

例如，现实中一款合格的人形机器人，头部需要具备耐用性、抗冲击能力，以适应多样化的操作环境和任务。所以当前主流的人形机器人并没有对面部表情做精致的研究设计，而是采用类似抽象的 “动画脸” 或 “卡通脸”。

此外，还有研究在拟人机器人头部的控制方面，使用伺服电机和多轴控制卡的控制方法；在仿人嗅觉系统方面，选择具有代表性气味的气体作为嗅觉识别对象，通过高品质气体传感器阵列模拟鼻子采集气体信息，以实现仿人嗅觉。

总之，人形机器人头部设计的重要性不言而喻，它将在未来的人机交互中发挥越来越重要的作用。

二、当前人形机器人头部设计现状

1.主流机器人公司的设计策略

-主流机器人公司在人形机器人头部设计方面，基于集体文化共识，选择中立和抽象的图像，通过符号化的情感传达满足人类对情感表达的基本需求。例如，目前几家主流的人形机器人面部设计中，有采用类似抽象的 “动画脸” 或 “卡通脸”，这样的脸庞几乎能被所有种族的人接受，并且更容易构建。

-另一种设计策略是追求极致的逼真度，努力再现人类面部的细节，以实现更深层次的情感共鸣和互动。但现实中，由于技术难题和实际应用需求，目前人形机器人头部使用的基本是金属合金和高强度塑料，要在这样 “硬邦邦” 的头部安装灵动、表情自然的脸并不容易。

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-在 “硬邦邦” 的头部安装灵动、表情自然的脸并不容易。人形机器人头部需要具备耐用性、抗冲击能力，以适应多样化的操作环境和任务。目前主流的人形机器人并没有对面部表情做精致的研究设计，而是采用抽象的 “动画脸” 或 “卡通脸”。此外，使用 Simulink 和 Simscape 构建人形机器人头部的数字孪生也面临诸多挑战，如在构建 CAD 模型时，某些刚性元素未显式定义，导致导出表示具有额外的自由度，增加了模型的复杂度。

-两种设计方案的落地都面临许多技术难题。主流机器人公司在设计面部时采用的两种策略，无论是选择中立和抽象的图像，还是追求极致的逼真度，都面临着技术挑战。例如，在实际应用中，人形机器人的头部需要集成多种功能，如听觉、视觉、嗅觉等，但目前的技术还难以实现这些功能的完美融合。同时，人形机器人头部的控制也面临挑战，如使用伺服电机和多轴控制卡的控制方法，以及仿人嗅觉系统的实现等，都需要进一步的技术突破。

三、人形机器人头部设计案例分析

1. iCub 机器人头部设计

iCub 人形机器人广泛应用于全球 50 多个研究中心和研究所。它身高 1 米，具有 53 个自由度，其中头部有 6 个自由度，颈部有 3 个自由度，眼部有 3 个自由度，还配备有 50 多个电机，以及力扭矩传感器和惯性测量单元。

意大利技术研究所 (IIT) 下设的 iCub Tech 机构使用 Simulink 和 Simscape 创建 iCub 机器人头部和颈部的数字孪生。首先，使用 Simscape Multibody Link 插件将颈部装配体从 PTC Creo CAD 软件导出到 Simscape Multibody，生成一组几何形状文件和一个唯一的 XML 文件，此 XML 文件由 smimport 函数解析，自动创建定义所有模型参数的数据结构体以及将此数据结构体加载到其模型工作区中的 Simscape Multibody 模块图。以这个导入的基线装配体作为起点，用 Simscape Multibody 创建了机器人颈部的电缆差动系统的精确模型，并用 Simscape Driveline 创建了其传动系统模型。

接着，使用 Simulink Control Design 中的模型线性化器，以交互方式对头部垂直放置的 Simscape 模型进行线性化。在线性化后，该模型包含 38 个状态，随后使用 Control System Toolbox 中的模型降阶器将其减至 18 个状态。为纠正 CAD 模型中某些刚性元素未显式定义导致导出表示具有额外自由度的问题，在 PTC Creo 中更新装配体，然后将更新的模型重新导入 Simscape，并再次运行线性化过程，最终得到更小型、更简单也更易于追溯的模型，便于理解频率响应和传递函数。例如，使用 Robust Control Toolbox 分别为俯仰和滚动关节创建了不确定的线性化状态空间模型，这些模型包含不确定的参数，使我们能够识别一组分离的传递函数。

有了更精确的 iCub 头颈模型，就可以开始调节俯仰和滚动离散比例 - 积分 - 微分 (PID) 控制器的增益。为调节过程定义了软目标和硬目标，并使用 Control System Toolbox 中的 systune 函数来调节控制器增益。Simulink 中的调节过程表明，需要显著提高根据经验确定的值的增益，特别是将积分增益提高近 30 倍，因为这对于补偿作用于头部的重力至关重要。在 Simulink 中使用 Simscape 被控对象模型测试基本控制器模型的新增益，让头部移过 minimum - jerk 多项式轨迹上的一系列路径点，仿真结果表明，轨迹跟踪性能有了显著提高，例如，对于俯仰跟踪，均方根误差减少了 80% 以上，而对于滚动跟踪，均方根误差则减少了 75% 以上。然后，在 iCub 机器人上测试了新的增益值，结果证实了在仿真中观测到的跟踪误差和仿真时间有了显著改进。

此数字孪生模型使我们能够自动调节控制增益，并显著改进轨迹跟踪性能。此外，它还让我们可以精准放置质点，轻松引入真实的非线性效应，并精确仿真作动系统，而这些功能对于设计可以安全应用于机器人的可靠控制算法至关重要。

2. 一种人形机器人头的制作方法

一种人形机器人头包括头体、两个眼球、两个眨眼组件、张合组件和颈部组件。

眨眼组件包括第一电机、第一转轴和眼皮，第一电机与头体固定连接，位于头体的内侧壁，第一转轴与第一电机输出端固定连接，并与头体转动连接，眼皮与第一转轴固定连接，位于第一转轴的外侧壁。第一电机工作可以驱动第一转轴转动，通过第一转轴带动眼皮转动，配合眼球实现眨眼动作。

张合组件包括两个第二电机、两个第二转轴、两个连接件和下颚。两个第二电机分别与头体固定连接，均位于头体的内侧壁，两个第二转轴分别与两个第二电机输出端固定连接，两个连接件分别设置于两个第二转轴的外侧壁，下颚设置于连接件的一侧。连接件包括连接杆和转杆，连接杆与第二转轴固定连接，位于第二转轴的外侧壁，转杆与连接杆固定连接，并与下颚固定连接。两个第二电机工作可以驱动两个第二转轴转动，两个第二转轴工作可以驱动两个连接件转动，通过连接件带动下颚转动，实现嘴巴的张开与闭合。

颈部组件包括舵机组和仿颈骨，舵机组与头体固定连接，位于头体的底部，仿颈骨与舵机组固定连接，位于舵机组的外侧壁。颈部组件工作可以驱动头体进行点头和摇头动作，提高了头体的灵活性。

通过两个眨眼组件和两个眼球配合可以实现眨眼动作，可以更好的模仿人形，通过张合组件可以模拟人张嘴或者闭嘴，提高了人形机器人头对信息的表达效果。

四、人形机器人头部设计的未来发展方向

1.更加注重人机交互体验，设计出更具情感表达能力的头部。

随着科技的不断进步，人形机器人头部设计将更加注重人机交互体验。未来，人形机器人头部将不仅仅是一个机械结构，更是一个能够与人类进行情感交流的智能终端。例如，基于 PC 及和 PIC16F877 芯片实现情感表情机器人的研究与设计中，通过对机器人头部结构的精心设计，实现了眼球转动、眼睑开合、头部转动等功能，使机器人能够更加生动地表达情感。同时，仿人头像机器人人工情感建模与实现中，采用人工神经网络技术，通过对生理信号、语音和面部表情等多通道信息的学习和训练，实现机器人的情感识别和生成，进一步增强了机器人与人类的情感交互能力。

在营造逼真的著名人形机器人外貌与情感方面，可以借鉴相关经验。首先，使用高解析度的 3D 扫描技术，准确捕捉人物的面部特征和细微的表情变化，重建人物的脸部结构和外貌特征，并进行精确的细节处理，确保人形机器人的外貌与原人完全一致。其次，在机器人内部集成智能感知技术和情感模型，通过人工智能算法的应用，让机器人学习和模仿人类的情感反应，表达情感并与人类进行互动。此外，还可以通过先进的声色软件技术，使机器人的声音与原人一致，并赋予机器人情感表达的能力。最后，在机器人的内部集成运动控制系统和姿势感知技术，使其能够实现自然而流畅的身体动作，与人类产生更强的共鸣。

2.不断突破技术难题，实现头部设计的创新与优化。

人形机器人头部设计面临着诸多技术难题，如如何在 “硬邦邦” 的头部安装灵动、表情自然的脸，如何实现多种功能的完美融合等。未来，随着技术的不断突破，这些难题将逐步得到解决。

一方面，在使用 Simulink 和 Simscape 构建人形机器人头部的数字孪生方面，可以继续深入研究。通过精确的模型线性化和控制器增益调节，提高机器人头部的轨迹跟踪性能，实现更加精准的控制。同时，利用数字孪生技术，可以轻松引入真实的非线性效应，并精确仿真作动系统，为设计可靠的控制算法提供重要支持。

另一方面，在人形机器人关键技术方面，运控算法是人形机器人大规模量产的关键要素。运动控制能力是人形机器人的核心能力，在机器人执行具体任务时，需要解决准确性和实时性问题。AI 在机器人的任务和步态规划中是最大的难点，其他如人形机器人行动的速度、步幅、稳定性和路径规划也都是难点。未来，需要不断优化运控算法，提高人形机器人的运动控制能力和人机交互能力。

此外，人形机器人头部设计还可以与具身智能相结合，打造专用大模型与人形机器人深度融合的具身智能人形机器人。通过提升人形机器人的综合感知能力、驱动执行模块的高爆发移动和高精度作业能力、运动控制能力，以及新型本体结构的设计，实现多元化发展。同时，聚焦人形机器人的应用场景落地，在制造业、矿山、军警等领域实现深度应用，提高人形机器人的实用价值。