机器人专题：双足人形机器人腿部设计原则与构型分类解析 - 德邦证券深度研究报告
今天要分享的是关于机器人的系列深度研究报告，具体是《机器人专题：双足人形机器人腿部设计原则与构型分类解析》。（报告出品方：德邦证券）
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双足机器人能够直接适配人类环境，但运动能力有待提升
双足机器人具有众多优势，应用场景广阔。众多优势包括：
1）地面适应性好、能耗小、工作空间大、能够实现双足行走；
能够直接与人类环境相适配，无需为了让机器人适应而进行改造。
类人的外形使其更容易被人类接受。其应用场景包含：面向恶劣条件和危险场景进行作业的服务特种领域，3C 领域、汽车等制造业的重点领域，以及医疗、家政等民生领域。
因为技术存在限制，双足机器人的腿部尚未具备人类骨骼肌肉那样的运动能力水平。当下，双足机器人在运动和感知能力方面尚未全面达到人类的程度，所以目前还没有一款双足机器人能够切实走入人类的生活。
腿部构型影响双足机器人的运动性能
这三者共同对机器人的运动性能产生影响。
腿部构型设计是双足机器人设计中很关键的一环，并且要和软件优化升级同步开展。控制软件能够在一定程度上对机械结构的缺陷进行补偿，正因如此，机械结构在机器人设计里常常被人们所忽视。然而，很多系统性能方面的缺陷，其根源其实就在于不良的机械结构。双足机器人没有完全达到人类的运动能力。其原因在于机器人的腿部构型以及驱动形式未能达到人类骨骼肌肉的运动能力水平。所以，控制软件需要与机械结构、机械部件同步进行优化升级。
腿部构型设计准则：高总质心、低惯量、低质量、高刚性
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提高机器人的总质心。传统双足机器人与人类不同，其质量的较大部分集中在腿部，并且电机和减速器占了机器人整体质量的约 40%，这使得机器人的总质心处于机身较低的位置。在机器人总高和质量保持不变时，机器人的横向摆动会随着总质心高度的增加而减少。提高总质心，能够减少横向摆动，从而提高机器人在较高行走速度下的稳定性。
降低腿部的惯量和质量。其一，降低腿部的惯量和质量有助于提升机器人的行走速度；其二，降低腿部的惯量和质量有助于增强机器人的行走稳定性；其三，降低腿部的能量消耗。
提高腿部的刚性。当机器人腿部刚性不够时，会致使机器人在行走过程中，足部相较于规划提前接触地面，进而对机器人高速行走的稳定性产生影响；高刚性腿部设计的模型，其误差会更低；高刚性的腿在动态行走过程中，不容易发生变形。
双足机器人腿部构型分类概览
按生物学模式来看，双足机器人的腿部设计能分成“人腿”“鸟腿”以及合成腿这几种。其中，大多数双足机器人都采用人腿方案。“人腿”以及“鸟腿”这两种类型，都属于生物启发式的腿部构型方案，也就是说，它们的腿部构型是符合人腿构型或者鸟腿构型的。绝大多数腿部构型采用人腿方案，像 ASIMO、HRP 系列等。少数双足机器人采用鸟腿，例如 Digit。还有少数双足机器人采用合成腿，像 Leo。
“人腿”构型按选用的机构类型可进一步划分为串联、并联和串并联混合这三种类型。人腿方案的差异在于，会根据不同位置关节的特点或者对腿部整体进行考虑，选用不同的机构来对关节进行排布。绝大多数双足机器人会依据髋关节、膝关节和踝关节各自的特点，分别去进行机构的设计。而少数双足机器人则是基于腿部的整体来对关节进行排布（Gim et al., 2018）。
髋关节、膝关节和踝关节的功能、位置不同，采用不同的机构
串并联混合机构：此方案既能减小惯量，又能实现较大的工作空间。RHP2 采用的方案是俯仰和滚动关节并联，同时还有单独的偏摆关节。偏摆关节的间隙会对整个腿部的定位精度产生略微的影响，而俯仰关节和滚动关节是由两个线性执行器共同控制的。RH5 利用偏摆关节和滚动关节进行串联，同时借助曲柄连杆机构（1-RRPR）来驱动俯仰关节，并且引入了被动关节。
并联机构的设计中，仅采用并联机构方案的情况很少，因为这种方案会导致髋关节的运动范围受到限制。早期的双足机器人如 WL-16（2006）、（2002）以及 LISA（2005）等采用了并联方案。
髋关节、膝关节和踝关节的功能、位置不同，采用不同的机构
膝关节由旋转执行器或直线执行器来驱动。一般会把膝关节电机移至大腿处，借助连杆机构把动力传送到膝关节位置。当腿部弯曲时，膝关节需要承担很大的负载，这就要求有较大的输出转矩。然而，较大转矩的电机将会使腿部的体积、重量和惯量增大，而大减速比的减速器会导致输出速度降低，还会减少关节的反驱动能力。
常见的解决办法：
改进关节电机方面，当前的双足机器人大多采用高输出的无框电机，像 WALK-MAN 以及 COMAN 等。
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（2）增加传动装置：各机器人 方案采用的传动方式存在差异。ASIMO 把膝关节电机布置在大腿中部，借助四连杆机构将动力传递至膝关节位置；LOLA 和 RH5 借助具有线性驱动器的曲柄连杆机构来实现；Kohei 等人在“具有比例四连杆的机器人腿”中，模仿动物的十字韧带设计了交叉四连杆机构用于膝关节，从而提高了足式机器人的跳跃高度。
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