——Sci. Robot. 9月封面

高结构刚度搭配大减速传动的机械臂，一直是精密操作任务的主流方案。但这套体系在高速物理交互场景下存在天然短板：巨大的末端惯量会放大碰撞冲击，很难完成投掷、接球这类需要快速爆发、耐受瞬时撞击的动态任务。

9月《Science Robotics》封面文章，RAI研究所团队发表的AthenaZero双手机器人，跳出传统机械臂优先保障静态刚度的设计思路，以降低惯量、轻量化末端为核心目标，打造出具备高控制权限的动态双臂操作平台。

看清动态操作机械臂三条技术路线

• 高减速比商用协作臂（Franka、UR、KUKA iiwa）

依靠大减速齿轮获得高静态扭矩。短板在于齿轮会放大转子转动惯量，末端等效质量很高。安全性依靠软件力矩限制，当发生高速撞击时，巨大的等效质量会输出猛烈冲击。

即便采用力反馈做虚拟降惯，受限于带宽与采样延迟，只能在接触发生之后才生效，撞击瞬间的冲量依旧由硬件物理惯性决定，很难处理毫秒级高速碰撞交互。

• 柔性元件改造方案（串联弹性驱动器、软体末端）

串联弹性元件、软体手、缓冲衬垫，依靠形变吸收碰撞能量。优势可以缓和冲击；但弹性元件会压低系统闭环带宽。

刚度与响应速度互相牵制，想要快速发力完成投掷这类高功率输出任务会变得非常困难。

• 低惯性准直接驱动硬件路线（WAM、AMBIDEX）

把电机向基座方向迁移，使用小减速比准直接驱动QDD关节，从物理层面降低连杆与反射惯量。优点是天生的力矩透明、背驱性能好，接触冲击被硬件本身抑制。代价是静态保持扭矩会下降，机械结构复杂度上升，肌腱、皮带传动会引入额外摩擦。

过往的一些代表成果WAM、AMBIDEX已经验证该思路，但尚未完整完成投掷?接球?击球一整套接近人类运动能力的双手机器人演示。

图| 通过传动实现驱动远端化的机构示意图?深蓝具身智能

AthenaZero的设计思路并不追求全能机器人，主动放宽长时间静态持载指标，优先保障低末端等效质量、高控制带宽。

依靠定制QDD执行器、皮带/平行机构远端化电机、骨骼化轻量化连杆，实现接近人类手臂的等效质量；同时依靠现代低延迟计算，用软件补偿部分静态刚度的损失。

三大硬件设计：QDD关节、驱动远端化、触觉灵巧手

整套机器人由躯干、左右双臂、双灵巧手组成。肩膀、肘部、腕部、手部大量采用驱动远端化策略，把电机尽量挪向基座，减少运动部分质量。

定制QDD准直接驱动关节

放弃80:1以上的大减速比，选用5:1、7.5:1、10:6这类中低减速比齿轮组。低减速比带来两大收益：

电机转子反射惯量会被齿轮比平方放大，小减速比直接压低反射惯量；

同时齿轮摩擦、回隙更小，系统具备良好力矩透明性，可以依靠电机q轴电流估算关节力矩，不需要额外昂贵、易漂移的应变片力矩传感器。

表| AthenaZero关节参数规格表?深蓝具身智能

但是代价同样明确：同等电机尺寸下，峰值静态锁止扭矩下降。

研究没有追求无限时间静态负重，任务目标调整为分钟级持续负载，而非工业臂那种数小时定点悬停。

连杆与腕部：传动远端化，压低运动惯量

图| AthenaZero与多款机械臂、人类手臂等效质量分析对比图?深蓝具身智能

• 肩关节：三台95mm电机布置在肩部球铰位置，对轴做20°、30°偏移，规避奇异点，适配投掷类大角度运动轨迹。

• 肘关节：屈伸关节电机通过同步皮带挪向近端基座，减少小臂移动重量；旋前旋后电机保留在肘关节位置。

• 腕关节：采用2自由度并联机构，把腕部全部电机移动到肘关节结合处，手腕末端只保留连杆机构，远端几乎无电机重量。正解没有闭式解析解，团队预计算大规模查找表，双线性插值查询，查询耗时仅3μs，不会拖累1kHz控制循环。

在Pendulum摆锤撞击实验中，可以直观体现硬件差异：

同样1kg摆锤撞击，AthenaZero实测末端等效质量0.83kg；Franka FR3达到3.3kg。

撞击峰值力AthenaZero为124.1N，FR3达到208.3N；撞击后摆锤继续向前运动，FR3却把摆锤直接弹开，直观反映二者物理惯性差异。

图| 摆锤撞击对比实验图?深蓝具身智能

Bowden传动触觉灵巧手

手部全部驱动电机布置在躯干内部，动力依靠1.8m长鲍登缆绳传递到手指。三指欠驱动手指，指尖、手掌内置气压式触觉传感器，200Hz采集接触压力。

这种方案最大化降低手的末端质量，但鲍登缆绳会引入摩擦损耗，直接限制手部最大夹持力和动态响应速度，属于为整体低惯性做出的工程取舍。

刚度评估与真实能力验证：投掷、接球、击球

研究对机器人主动刚度开展标定实验，在空载和挂载1.8kg载荷条件下随机遍历30组位姿。

该刚度测试反映了闭环控制下的位置偏移：

空载条件末端平均位置误差约3mm；挂载1.8kg载荷，平均偏移扩大至12mm。腕部RJ7关节扭矩最低，是形变主要来源。伸展姿态下力臂放大，偏移会进一步加大。

可以看出：虽然动态交互表现优秀，但它无法达到传统工业臂毫米级静态定位精度，这是硬件架构带来固有妥协。

图| 机器人刚度评估实验图?深蓝具身智能

整套动态任务全部在7.3m固定距离实验室环境完成，OptiTrack 240Hz动捕获取球体轨迹。完成机?机对玩接球、人?机接球，机器人投球练习击球四大类演示。

投掷：单臂模式投掷网球最高速度30.8m/s；双臂投掷棒球，7.3m距离上可以把球投进0.25×0.25m目标框，速度21.4m/s。高速投掷最大难点不在加速，而在于毫秒级的释放时序控制，打滑会造成出手时机偏移。

图| 人机、机机接球与击球练习协同场景效果图?深蓝具身智能

接球：7.3m距离棒球最高接球成功速度18.3m/s，外推到真实棒球投手本垒距离，等效可应对46.1m/s来球。受限场地，球体轨迹观测至少需要3个采样点，留给系统反应时间窗口很短。

击球：成功回击最高来球速度13.9m/s，等效标准棒球场地35m/s。可以机器人对机器人击球练习，也可以人类投球机器人挥棒回击。

AthenaZero证明依靠当代电机、低延迟计算，可以做出一套接近人类手臂等效质量的双手机器人，完整实现一整套爆发、冲击类动态物理交互。

它并不追求通吃所有机器人任务，在高精度定点作业、长时间静态挂载任务上，性能不如传统协作机械臂，属于明确取舍的专用科研硬件平台。

写在最后

绝大多数协作机械臂的安全，建立在软件保护之上，AthenaZero换了一条路径，直接修改硬件惯性底层属性。主动牺牲静态刚度与长时间持载能力，换取接近人类手臂的末端等效质量与力矩透明性，让机器人原生具备承受高速冲击物理交互的硬件基础。

作为《Science Robotics》9月的封面论文，这篇工作把动态操作机器人的核心矛盾清晰摆在行业面前：

高速冲击交互、静态定位精度、持续负载，三者很难全部拉满，必须做权衡取舍。

AthenaZero给出了一套硬件取舍的参考答案，但想要真正走向现实世界，机载高速视觉、降低缆绳摩擦、热管理优化，依旧是接下来需要解决的现实问题。

参考论文：

论文标题：AthenaZero: A low?inertia, bimanual robot for dynamic manipulation 

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aee1868