腿部设计的重要性： 影响双足机器人运动性能，仍有提升空间
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；2）能够直接适配人类 环境，不需要为了适应机器人而进行改造；3）拥有类人的外形，更容易被人类接受。应用场景包括：面向恶劣条件、危险场景作业的服务特种 领域，3C、汽车等制造业重点领域，医疗、家政等民生领域。 由于技术限制，双足机器人腿部尚未达到人类骨骼肌肉的运动能力水平。目前，双足机器人还没有全面达到人类的运动和感知能力，因此还没有 一款双足机器人能够真正走入人类生活。
腿部构型影响双足机器人的运动性能
腿部设计包括腿部构型、关节执行器硬件设计和运动控制软件设计，三者共同影响机器人的运动性能。 腿部构型设计是双足机器人设计的关键一环，应与软件优化升级同步进行。控制软件可以一定程度上补偿机械结构的缺陷，因此机械结构在机器 人设计中常被忽视。但许多系统性能缺陷根源在于不良的机械结构。双足机器人没有全面达到人类的运动能力，是因为机器人的腿部构型和驱动 形式没有达到人类骨骼肌肉的运动能力水平，因此控制软件与机械结构、机械部件的优化升级应同步进行。
腿部构型设计准则： 高总质心、低惯量、低质量、高刚性
设计总要求：提高双足机器人腿部高动态响应能力
双足机器人腿部设计应遵循提高腿部高动态响应能力的总要求。人类设计双足机器人的目的是为人类提供服务，把人类从简单重复或危险繁重的 工作中解脱出来，对双足机器人提出了以下要求：1）适应人类生存的环境如不平整路面、楼梯、斜坡路等；2）能够完成行走、蹲起、爬起等复 杂动作。适应复杂路况和执行复杂动作需要机器人腿部具有高的动态响应能力。
腿部构型设计准则：高总质心、低惯量、低质量、高刚性
提高机器人总质心。与人类不同，传统双足机器人质量的较大部分集中在腿部，且电机和减速器占了机器人整体质量的 40%左右，导致机器人的 总质心处于机身较低位置。在机器人总高和质量不变的情况下，机器人横向摆动随着总质心高度的增加而减少，提高总质心进而减少横向摆动以 提高机器人在较高行走速度下的稳定性。 降低腿部惯量和质量。一方面，降低腿部惯量和质量有利于提高机器人的行走速度和行走稳定性；另一方面，降低腿部能量消耗。 提高腿部刚性。如果机器人腿部刚性不足，就会导致机器人行走过程中足部相对于规划过早接触地面，影响机器人高速行走稳定性；高刚性腿部 设计的模型误差更低；高刚性腿不容易在动态行走过程中发生变形。
6自由度“人腿”方案： 双足机器人最常见的腿部设定
双足机器人腿部构型分类概览
按生物学模式，双足机器人腿部设计可分为“人腿”、“鸟腿”和合成腿，大多数双足机器人采用人腿方案。“人腿”和“鸟腿”均为生物启发 式腿部构型方案，即腿部构型符合人腿构型或鸟腿构型。绝大多数腿部构型采用人腿方案（ASIMO、HRP系列、WALKMAN、Optimus等），少 数双足机器人采用鸟腿（Cassie和Digit）和合成腿（Slider和Leo）。
按选用的机构类型将“人腿”构型进一步分为串联、并联和串并联混合三种类型。人腿方案差异体现在基于不同位置关节特点或腿部整体的考虑， 选用不同的机构对关节进行排布。绝大多数双足机器人基于髋关节、膝关节和踝关节各自的特点分别进行机构的设计，少数基于腿部整体对关节 进行排布（Gim et al., 2018）。
“人腿”自由度分布：髋关节3DOF+膝关节1DOF+踝关节2DOF
人体/机器人机构能够独立运动的关节数目，称为运动自由度，简称自由度（Degree of Freedom / DOF）。机器人的自由度越多，运动越灵活、 通用性越好，但结构更加复杂，对机器人设计和控制要求更高。机器人机构自由度的选择需要平衡运动性能和机构的复杂性。 人体下半身共有8个自由度，其中7个为主动自由度：1）髋关节。三个自由度（髋关节外展-内收、屈曲-伸展、内-外旋转）；2）膝关节。两个自 由度（膝关节屈曲-伸展、小腿内-外旋转）；3）踝关节。两个自由度（屈曲-伸展、旋旋-仰卧）。此外，还有1个被动自由度：膝关节的线位移。
“人腿”构型分为串、并联及串并联混合三种类型
双足机器人腿部设计可采用三种机构：串联、并联和串并联混合机构，以此作为人腿整体构型的分类依据。 1）串联机构（a、b）：由多个连杆通过运动副（关节/铰链）以串联的形式连接成首尾不封闭的机构，每个关节由其驱动器独立驱动；结构简单、 易于控制、工作空间大，但其定位精度较低、惯量大、刚度低，动力学性能较差，与腿部设计准则相背离。 2）并联机构（c、d）：多个连杆首尾连接形成封闭的机构；最大的优势在于可以将腿部执行器上移以此减小腿部惯量，定位精度、刚度、负载 能力都能得到提高，但要以机构复杂程度、控制难度增加为代价。 3）串并联混合机构（e）：同时采用串联和并联两种机构，结合串联和并联两者的优势，但缺点是机构复杂性和控制难度进一步增加。
目前串并联混合方案是“人腿”构型设计的主流方案
目前并联机构广泛用于机器人腿部设计中，串并联混合腿部构型成为主流方案。一方面，采用并联机构的腿部构型能够实现低惯量、高刚度、高 质心、高负载腿的设计；另一方面机器人运动控制理论和技术的发展使得并联机构的构建和控制具有可行性。丁宏钰《双足机器人腿部及其驱动 器的设计理论与关键技术研究》表明，自 2013 年后有更多的双足机器人使用并联驱动装置，并联驱动装置在总自由度中占比也在提高。
髋关节、膝关节和踝关节的功能、位置不同，采用不同的机构
膝关节采用旋转执行器或直线执行器驱动，通常将膝关节电机上移到大腿，通过连杆机构将动力传输到膝关节位置。在腿部弯曲时，膝关节需要 承受很大负载，要求较大的输出转矩，但是较大转矩的电机会增大腿部体积、重量和惯量，大减速比的减速器输出速度降低、减少关节的反驱动 能力。 常见的解决办法：（1）改进关节电机：当前双足机器人多采用高输出的无框电机，如WALK-MAN、COMAN等；（2）增加传动装置：各机器人 方案采用的传动方式存在差异。如ASIMO将膝关节电机布置在大腿中部，通过四连杆机构把动力传递到膝关节位置；LOLA和RH5采用具有线性 驱动器的曲柄连杆机构实现；Kohei Tomishiro et al. Design of Robot Leg with Variable Reduction Ratio Crossed Four-bar Linkage Mechanism 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，提高了足式机器人的跳跃高度。
创新腿方案： “鸟腿”和合成腿相较“人腿”具备自身优势
“鸟腿”低耗能、高性能、易控制、高便利
鸟类和人类在行走过程中姿态不同。（1）行走中，人抬脚曲膝，但是脚和脚趾始终保持向前；（2）而对于鸟类，腿和脚关节的机械耦合使鸟在 摆腿中会把脚向后折叠，使得像鸵鸟（有的体重超过100kg，奔跑速度可以达到55km/h）一样的大型鸟可以快速奔跑、不费力地保持直立状态。 鸟类的腿部控制由其神经系统和机械构造共同完成。Monica Daley et al. BirdBot is energy-efficient thanks to nature as a model研究结果表明， 鸟类腿部对障碍物的反应速度超过神经系统发挥作用的速度，其独特的多关节肌肉-肌腱结构和脚步运动方式在腿部控制中发挥作用，因此大型鸟 可以实现双足稳定、快速、低耗能奔跑。
少数方案采用合成腿，能弥补单一生物启发式腿部设计的缺陷
SLIDER: 没有膝关节的腿部设计，髋关节4DOF（滚动、俯仰、偏摆和滑动）+踝关节2DOF。当前双足机器人实现直腿行走较为困难，大多数双 足机器人需要在行走过程中维持膝盖弯曲以避免膝关节的奇异问题，将总质心控制在稳定的高度以便控制。该设计存在三点显著优势：（1）省 去膝关节电机以降低腿部质量、惯量和设计难度，同时可以保持和人腿相同的功能；（2）减小行走过程中总质心在垂直方向的移动，与倒立摆 模型更相近（机器人控制常用模型，符合该模型的腿部构型可以实现高动态运动性能）。（3）实现直腿行走。
报告节选：
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
相关报告
双足机器人腿部设计原则与构型分类解析.pdf
行星滚柱丝杠行业研究：高精技术集成之作，人形机器人线性关节.pdf
2024 年中国教育机器人市场研究报告.pdf
手术机器人市场研究.pdf
丝杠行业分析：精密传动部件机器人中必不可少，国产替代蓄势待发.pdf
人形机器人金属材料行业深度报告：人形机器人加速发展，钕铁硼、镁合金显著受益.pdf
