一、引言

人形機(jī)器人作為集機(jī)械工程、人工智能和自動(dòng)控制于一體的復(fù)雜智能系統(tǒng)，其功能實(shí)現(xiàn)高度依賴實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的技術(shù)支撐。根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）2024年度報(bào)告顯示，全球人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在2025年達(dá)到38.7億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)19.2%。這一發(fā)展趨勢(shì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和控制精度提出了更嚴(yán)苛的技術(shù)要求。

二、人形機(jī)器人技術(shù)需求分析

（一）運(yùn)動(dòng)控制方面

? 實(shí)時(shí)性：人形機(jī)器人需要在多種任務(wù)之間進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和實(shí)時(shí)決策，這對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了嚴(yán)苛要求。根據(jù)IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化學(xué)會(huì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，人形機(jī)器人任務(wù)調(diào)度的平均延遲需控制在10毫秒以內(nèi)，以確保動(dòng)態(tài)環(huán)境下的穩(wěn)定性。

? 精確性：人形機(jī)器人需要具備高度的精確性和靈敏度，能夠精確地模仿人類的行走、跑步、抓取等動(dòng)作，實(shí)時(shí)響應(yīng)各種傳感器的輸入和環(huán)境變化。

? 穩(wěn)定性：人形機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行高度依賴于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的性能。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要優(yōu)化資源管理和任務(wù)調(diào)度，確保機(jī)器人在不同負(fù)載條件下表現(xiàn)出色，避免因延遲造成的控制失誤。

? 多自由度控制：人形機(jī)器人通常具有多個(gè)自由度，如Walker機(jī)器人擁有36個(gè)自由度，包括腿、手臂、靈巧手和頭部等。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要能夠同步控制所有伺服關(guān)節(jié)，確保算法的輸入和輸出始終處于一個(gè)節(jié)拍，從而保證算法的性能。

? 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要支持步態(tài)規(guī)劃和控制算法、穩(wěn)定控制算法和柔性控制算法，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的正常行走、上下樓梯、跳躍等功能，并提高其步行的穩(wěn)定性和環(huán)境自我適應(yīng)能力。

（二）感知方面

? 多模態(tài)感知：人形機(jī)器人需要配備多種傳感器，如視覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、慣性測(cè)量單元等，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的全面感知。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要能夠高效地處理和融合來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)，為人形機(jī)器人提供實(shí)時(shí)的信息來(lái)源和反饋。

? 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要具備高效的數(shù)據(jù)處理能力，能夠快速處理來(lái)自傳感器的大量數(shù)據(jù)，并及時(shí)做出反應(yīng)。例如，3D視覺(jué)負(fù)責(zé)周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)建模，激光雷達(dá)可直接測(cè)量深度信息，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云成像。

? 高精度感知：人形機(jī)器人對(duì)感知的精度要求極高，如力/力矩傳感需要感知并反饋多維力信息，以完成類人精細(xì)操作。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要能夠支持高精度的傳感器，并確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

? 環(huán)境適應(yīng)性：人形機(jī)器人需要能夠在不同的環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)需要具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠處理各種復(fù)雜的場(chǎng)景和挑戰(zhàn)。

三、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在人形機(jī)器人中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）響應(yīng)速度提升

人形機(jī)器人實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)微秒級(jí)的快速響應(yīng)。例如國(guó)產(chǎn)的望獲實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)采用基于PREEMPT_RT進(jìn)行深度開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)Linux內(nèi)核，提供硬實(shí)時(shí)解決方案，只要具備更高的優(yōu)先級(jí)，用戶態(tài)應(yīng)用也可以搶占內(nèi)核態(tài)，充分提高應(yīng)用的實(shí)時(shí)性。這種快速響應(yīng)能力使得機(jī)器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中能夠迅速適應(yīng)變化，及時(shí)做出反應(yīng)，如在碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵任務(wù)中，能夠在極短時(shí)間內(nèi)獲得CPU資源并執(zhí)行相應(yīng)操作，從而有效避免事故。

（二）穩(wěn)定性增強(qiáng)

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為人形機(jī)器人提供了高度穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。通過(guò)優(yōu)化資源管理和任務(wù)調(diào)度，確保機(jī)器人在復(fù)雜場(chǎng)景中的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，特斯拉Optimus機(jī)器人在2024年已實(shí)現(xiàn)電池單元分裝及糾錯(cuò)功能，并在服務(wù)場(chǎng)景中展示了做飯、調(diào)酒、跳舞等復(fù)雜動(dòng)作，其穩(wěn)定性得到了顯著提升。

（三）資源利用效率提高

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)優(yōu)化了人形機(jī)器人的資源管理，提高了資源利用率。通過(guò)靜態(tài)內(nèi)存分配與動(dòng)態(tài)內(nèi)存池結(jié)合的方式，減少了內(nèi)存碎片化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。同時(shí)，支持DVFS（動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)）技術(shù)，可降低機(jī)器人待機(jī)功耗。此外，通過(guò)虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)計(jì)算資源的高效利用，提升了多核利用率，使人形機(jī)器人能夠更高效地處理多任務(wù)，滿足復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

（四）安全性提升

具備功能安全認(rèn)證的望獲實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)為人形機(jī)器人提供了堅(jiān)實(shí)的安全保障。望獲實(shí)時(shí)Linux系統(tǒng)通過(guò)了ISO 26262 ASIL-D功能安全認(rèn)證，提供符合IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)的故障注入測(cè)試機(jī)制。這種安全性保障對(duì)于人形機(jī)器人在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要，能夠有效降低系統(tǒng)故障率，確保機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的安全性和可靠性。

四、未來(lái)展望

隨著人形機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛。未來(lái)研究方向應(yīng)聚焦于：

? 多模態(tài)交互優(yōu)化：通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與觸覺(jué)的實(shí)時(shí)融合處理。

? 復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性：研究實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在極端溫度、電磁干擾等環(huán)境下的穩(wěn)定性保障機(jī)制。

? 系統(tǒng)級(jí)安全性增強(qiáng)：開(kāi)發(fā)基于形式化驗(yàn)證的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)安全架構(gòu)，滿足ISO 21448預(yù)期功能安全要求。

五、結(jié)論

實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為人形機(jī)器人提供了可驗(yàn)證的實(shí)時(shí)性能保障，其技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)確定性調(diào)度、功能安全和能效優(yōu)化的三重演進(jìn)趨勢(shì)。隨著ISO/PAS 21448預(yù)期功能安全標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將在人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中發(fā)揮更關(guān)鍵的技術(shù)支撐作用。