機器人行業(yè)：雙足機器人腿部設(shè)計原則與構(gòu)型分類解析

00雙足人形機器人腿部設(shè)計證券分析師姓名：陸強易郵箱：luqy3＠研究助理郵箱：wanyansw＠>腿部設(shè)計的重要性：影響雙足機器人運動性能，仍有提升空間>腿部構(gòu)型設(shè)計準則：高總質(zhì)心、低慣量、低質(zhì)量、高剛性>6自由度“人腿”方案：雙足機器人最常見的腿部設(shè)定>創(chuàng)新腿方案：“鳥腿”和合成腿相較“人腿”存在獨特優(yōu)勢影響雙足機器人運動性能，仍有提升空間2雙足機器人具有眾多優(yōu)勢，應(yīng)用場景廣闊。眾多優(yōu)勢包括：1）地面適應(yīng)性好、能耗小、工作空間大、能夠?qū)崿F(xiàn)雙足行走；2）能夠直接適配人類環(huán)境，不需要為了適應(yīng)機器人而進行改造；3）擁有類人的外形，更容易被人類接受。應(yīng)用場景包括：面向惡劣條件、危險場景作業(yè)的服務(wù)特種領(lǐng)域，3C、汽車等制造業(yè)重點領(lǐng)域，醫(yī)療、家政等民生領(lǐng)域。由于技術(shù)限制，雙足機器人腿部尚未達到人類骨骼肌肉的運動能力水平。目前，雙足機器人還沒有全面達到人類的運動和感知能力，因此還沒有一款雙足機器人能夠真正走入人類生活。資料來源：GrzegorzFichtetal.BipedalHumanoidHardwareD3硬件設(shè)計腿部構(gòu)型影響雙足機器人的運動性能硬件設(shè)計腿部設(shè)計包括腿部構(gòu)型、關(guān)節(jié)執(zhí)行器硬件設(shè)計和運動控制軟件設(shè)計，三者共同影響機器人的運動性能。腿部構(gòu)型設(shè)計是雙足機器人設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)，應(yīng)與軟件優(yōu)化升級同步進行。控制軟件可以一定程度上補償機械結(jié)構(gòu)的缺陷，因此機械結(jié)構(gòu)在機器人設(shè)計中常被忽視。但許多系統(tǒng)性能缺陷根源在于不良的機械結(jié)構(gòu)。雙足機器人沒有全面達到人類的運動能力，是因為機器人的腿部構(gòu)型和驅(qū)動形式?jīng)]有達到人類骨骼肌肉的運動能力水平，因此控制軟件與機械結(jié)構(gòu)、機械部件的優(yōu)化升級應(yīng)同步進行。資料來源：丁宏鈺《雙足機器人腿部及其驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》，Kenji5雙足機器人腿部設(shè)計應(yīng)遵循提高腿部高動態(tài)響應(yīng)能力的總要求。人類設(shè)計雙足機器人的目的是為人類提供服務(wù)，把人類從簡單重復(fù)或危險繁重的工作中解脫出來，對雙足機器人提出了以下要求：1）適應(yīng)人類生存的環(huán)境如不平整路面、樓梯、斜坡路等；2）能夠完成行走、蹲起、爬起等復(fù)雜動作。適應(yīng)復(fù)雜路況和執(zhí)行復(fù)雜動作需要機器人腿部具有高的動態(tài)響應(yīng)能力。腿部構(gòu)型設(shè)計準則：高總質(zhì)心、低慣量、低質(zhì)量、高剛性提高機器人總質(zhì)心。與人類不同，傳統(tǒng)雙足機器人質(zhì)量的較大部分集中在腿部，且電機和減速器占了機器人整體質(zhì)量的40%左右，導致機器人的總質(zhì)心處于機身較低位置。在機器人總高和質(zhì)量不變的情況下，機器人橫向擺動隨著總質(zhì)心高度的增加而減少，提高總質(zhì)心進而減少橫向擺動以提高機器人在較高行走速度下的穩(wěn)定性。降低腿部慣量和質(zhì)量。一方面，降低腿部慣量和質(zhì)量有利于提高機器人的行走速度和行走穩(wěn)定性；另一方面，降低腿部能量消耗。提高腿部剛性。如果機器人腿部剛性不足，就會導致機器人行走過程中足部相對于規(guī)劃過早接觸地面，影響機器人高速行走穩(wěn)定性；高剛性腿部設(shè)計的模型誤差更低；高剛性腿不容易在動態(tài)行走過程中發(fā)生變形。計計資料來源：丁宏鈺《雙足機器人腿部及其驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研6自由度“人腿”方案：雙足機器人最常見的腿部設(shè)定89雙足機器人腿部構(gòu)型分類概覽9按生物學模式，雙足機器人腿部設(shè)計可分為“人腿”、“鳥腿”和合成腿，大多數(shù)雙足機器人采用人腿方案?！叭送取焙汀傍B腿”均為生物啟發(fā)式腿部構(gòu)型方案，即腿部構(gòu)型符合人腿構(gòu)型或鳥腿構(gòu)型。絕大多數(shù)腿部構(gòu)型采用人腿方案（ASIMO、HRP系列、WALKMAN、Optimus等），少數(shù)雙足機器人采用鳥腿（Cassie和Digit）和合成腿（Slider和Leo）。按選用的機構(gòu)類型將“人腿”構(gòu)型進一步分為串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)混合三種類型。人腿方案差異體現(xiàn)在基于不同位置關(guān)節(jié)特點或腿部整體的考慮，選用不同的機構(gòu)對關(guān)節(jié)進行排布。絕大多數(shù)雙足機器人基于髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)各自的特點分別進行機構(gòu)的設(shè)計，少數(shù)基于腿部整體對關(guān)節(jié)進行排布（Gimetal.,2018）?！叭送取薄傍B腿”“人腿”“鳥腿”Fichtetal.BipedalHumanoidHardwareDesign:aTechnologyReview，德邦研究所繪制“人腿”自由度分布：髖關(guān)節(jié)3DOF+膝關(guān)節(jié)1DOF+踝關(guān)節(jié)2DOF人體/機器人機構(gòu)能夠獨立運動的關(guān)節(jié)數(shù)目，稱為運動自由度，簡稱自由度（DegreeofFreedom/DOF）。機器人的自由度越多，運動越靈活、通用性越好，但結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對機器人設(shè)計和控制要求更高。機器人機構(gòu)自由度的選擇需要平衡運動性能和機構(gòu)的復(fù)雜性。人體下半身共有8個自由度，其中7個為主動自由度：1）髖關(guān)節(jié)。三個自由度（髖關(guān)節(jié)外展-內(nèi)收、屈曲-伸展、內(nèi)-外旋轉(zhuǎn)2）膝關(guān)節(jié)。兩個自由度（膝關(guān)節(jié)屈曲-伸展、小腿內(nèi)-外旋轉(zhuǎn)3）踝關(guān)節(jié)。兩個自由度（屈曲-伸展、旋旋-仰臥）。此外，還有1個被動自由度：膝關(guān)節(jié)的線位移。anddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicalltherapy，德邦研究所“人腿”自由度分布：髖關(guān)節(jié)3DOF+膝關(guān)節(jié)1DOF+踝關(guān)節(jié)2DOF雙足機器人腿部設(shè)計常選用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個關(guān)節(jié)僅有一個自由度。運動學設(shè)計中常見的3種關(guān)節(jié)類型分別為直線（prismatic）、旋轉(zhuǎn)（revolute）和球形（spherical）關(guān)節(jié)：線性或棱柱形關(guān)節(jié)可以沿單個軸進行平移或滑動運動；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)圍繞一個自由度的點運動；球形關(guān)節(jié)可以圍繞一個點在多個自由度上移動，但其控制較為復(fù)雜，通常用3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)代替。若無特別說明，本報告中的關(guān)節(jié)一般指旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。雙足機器人單腿自由度通常為6個。人體單腿自由度為8個，對于機器人而言，單腿6自由度即可實現(xiàn)與人腿近似的形態(tài)和功能，大多數(shù)雙足機器人采用6自由度人腿方案。其中髖關(guān)節(jié)通常有3個自由度，分別控制關(guān)節(jié)滾動、俯仰、偏擺運動；膝關(guān)節(jié)只有1個俯仰自由度；踝關(guān)節(jié)有滾動、俯仰2個自由度。33膝關(guān)節(jié)3122anddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicalReview，石照耀《雙足機器人腿部新構(gòu)型設(shè)計與試驗研究》，德邦研究所“人腿”構(gòu)型分為串、并聯(lián)及串并聯(lián)混合三種類型雙足機器人腿部設(shè)計可采用三種機構(gòu)：串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)混合機構(gòu)，以此作為人腿整體構(gòu)型的分類依據(jù)。>1）串聯(lián)機構(gòu)（a、b）：由多個連桿通過運動副（關(guān)節(jié)/鉸鏈）以串聯(lián)的形式連接成首尾不封閉的機構(gòu)，每個關(guān)節(jié)由其驅(qū)動器獨立驅(qū)動；結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、工作空間大，但其定位精度較低、慣量大、剛度低，動力學性能較差，與腿部設(shè)計準則相背離。>2）并聯(lián)機構(gòu)（c、d）：多個連桿首尾連接形成封閉的機構(gòu)；最大的優(yōu)勢在于可以將腿部執(zhí)行器上移以此減小腿部慣量，定位精度、剛度、負載能力都能得到提高，但要以機構(gòu)復(fù)雜程度、控制難度增加為代價。>3）串并聯(lián)混合機構(gòu)（e）：同時采用串聯(lián)和并聯(lián)兩種機構(gòu)，結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)兩者的優(yōu)勢，但缺點是機構(gòu)復(fù)雜性和控制難度進一步增加。性能串聯(lián)機構(gòu)并聯(lián)機構(gòu)工作空間大小定位精度積累/低平均/高慣量大小低高小大結(jié)構(gòu)/控制復(fù)雜程度SerialLinkedStructuresinBipedRobotSystem，KenjiHashimotoMechanichumanoidrobot，德邦研究所y目前串并聯(lián)混合方案是“人腿”構(gòu)型設(shè)計的主流方案目前并聯(lián)機構(gòu)廣泛用于機器人腿部設(shè)計中，串并聯(lián)混合腿部構(gòu)型成為主流方案。一方面，采用并聯(lián)機構(gòu)的腿部構(gòu)型能夠?qū)崿F(xiàn)低慣量、高剛度、高質(zhì)心、高負載腿的設(shè)計；另一方面機器人運動控制理論和技術(shù)的發(fā)展使得并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)建和控制具有可行性。丁宏鈺《雙足機器人腿部及其驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》表明，自2013年后有更多的雙足機器人使用并聯(lián)驅(qū)動裝置，并聯(lián)驅(qū)動裝置在總自由度中占比也在提高。WL-16機構(gòu)/（DFKI）——合合合膝關(guān)節(jié)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》等文獻，德邦研究所髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的功能、位置不同，采用不同的機構(gòu)髖關(guān)節(jié)常用串聯(lián)機構(gòu)或串并聯(lián)混合機構(gòu)。髖關(guān)節(jié)作為腿部的基座需要承受較大負載、且有較大的轉(zhuǎn)動角度/工作空間。串聯(lián)機構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡單，作為腿部基座，其重量和慣量允許稍微較大。各方案差異體現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)三個自由度的排布順序上。最常用的方案是偏擺-滾動-俯仰（Yaw-Roll-Pitch/Y-R-P）,例如：HRP-2,Valkyrie,Hubo等均采用該方案，可最大限度減少滾動和俯仰關(guān)節(jié)處的慣量（F.Negrelloetal.的研究表明，R-Y-P構(gòu)型中俯仰關(guān)節(jié)作為運動鏈的最后一個關(guān)節(jié)，相比于P-R-Y減少16%慣量但無法同時實現(xiàn)較大的工作空間和較小的尺寸。WALKMAN采用R-Y-P方案，略微增加滾動關(guān)節(jié)的慣量，實現(xiàn)偏擺關(guān)節(jié)慣量大幅下降。Y-R-PWALKMANOptimizationforEnOptimizationforEn髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的功能、位置不同，采用不同的機構(gòu)串并聯(lián)混合機構(gòu)：該方案在減小慣量的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的工作空間。RHP2采用俯仰和滾動關(guān)節(jié)并聯(lián)+單獨的偏擺關(guān)節(jié)的方案，偏擺關(guān)節(jié)的間隙會略微影響整個腿部的定位精度，俯仰關(guān)節(jié)和滾動關(guān)節(jié)由兩個線性執(zhí)行器共同控制。RH5采用偏擺和滾動關(guān)節(jié)串聯(lián)+曲柄連桿機構(gòu)（1-RRPR）驅(qū)動俯仰關(guān)節(jié)，引入了被動關(guān)節(jié)。并聯(lián)機構(gòu)：僅采用并聯(lián)機構(gòu)方案的設(shè)計很少，因該方案髖關(guān)節(jié)的運動范圍受限。WL-16（2006）、ROBIAN（2002）、LISA（2005）等早期的雙足機器人有采用并聯(lián)方案。hybridRH5humanoidrobot，德邦研究所g髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的功能、位置不同，采用不同的機構(gòu)膝關(guān)節(jié)采用旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器或直線執(zhí)行器驅(qū)動，通常將膝關(guān)節(jié)電機上移到大腿，通過連桿機構(gòu)將動力傳輸?shù)较リP(guān)節(jié)位置。在腿部彎曲時，膝關(guān)節(jié)需要承受很大負載，要求較大的輸出轉(zhuǎn)矩，但是較大轉(zhuǎn)矩的電機會增大腿部體積、重量和慣量，大減速比的減速器輸出速度降低、減少關(guān)節(jié)的反驅(qū)動能力。常見的解決辦法1）改進關(guān)節(jié)電機：當前雙足機器人多采用高輸出的無框電機，如WALK-MAN、COMAN等2）增加傳動裝置：各機器人方案采用的傳動方式存在差異。如ASIMO將膝關(guān)節(jié)電機布置在大腿中部，通過四連桿機構(gòu)把動力傳遞到膝關(guān)節(jié)位置；LOLA和RH5采用具有線性驅(qū)動器的曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)；KoheiTomishiroetal.DesignofRobotLegwithVariableReductionRatioCrossedFour-barLinkageMechanism中模仿動物的十字韌帶設(shè)計了交叉四連桿機構(gòu)用于膝關(guān)節(jié)，提高了足式機器人的跳躍高度。膝關(guān)節(jié)電機位置ASIMO膝關(guān)節(jié)位置——膝關(guān)節(jié)位置————WALK-MANWL-16————資料來源：河馬機器人，丁宏鈺《雙足機器人腿部及驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技資料來源：丁宏鈺《雙足機器人腿部及驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的功能、位置不同，采用不同的機構(gòu)踝關(guān)節(jié)兩個自由度常采用并聯(lián)機構(gòu)。相比于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，踝關(guān)節(jié)采用并聯(lián)構(gòu)型的優(yōu)勢更大，具體體現(xiàn)在：（1）并聯(lián)機構(gòu)的采用增大踝關(guān)節(jié)的剛度，增強直立狀態(tài)的穩(wěn)定性且不需太高的扭矩輸出。（2）通過將執(zhí)行器、減速器等重量大的部件上移到小腿或大腿處，可以實現(xiàn)低慣量腿的設(shè)計。各方案具體實現(xiàn)存在差異，通常以連桿（ASIMO、TORO、Valkyrie）或絲杠方式（LOLA、RH5、Optimus）實現(xiàn)。踝關(guān)節(jié)電機位置ASIMO——————踝關(guān)節(jié)處——————Valkyrie——WL-16————資料來源：河馬機器人，IEEE，丁宏鈺《雙足機器人腿部及驅(qū)動器的設(shè)計理論與關(guān)MechanismofLOLA，德邦研究所“鳥腿”和合成腿相較“人腿”具備自身優(yōu)勢“鳥腿”和合成腿相較“人腿”具備自身優(yōu)勢“鳥腿”低耗能、高性能、易控制、高便利鳥類和人類在行走過程中姿態(tài)不同。（1）行走中，人抬腳曲膝，但是腳和腳趾始終保持向前2）而對于鳥類，腿和腳關(guān)節(jié)的機械耦合使鳥在擺腿中會把腳向后折疊，使得像鴕鳥（有的體重超過100kg，奔跑速度可以達到55km/h）一樣的大型鳥可以快速奔跑、不費力地保持直立狀態(tài)。鳥類的腿部控制由其神經(jīng)系統(tǒng)和機械構(gòu)造共同完成。MonicaDaleyetal.BirdBotisenergy-efficientthankstonatureasamodel研究結(jié)果表明，鳥類腿部對障礙物的反應(yīng)速度超過神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用的速度，其獨特的多關(guān)節(jié)肌肉-肌腱結(jié)構(gòu)和腳步運動方式在腿部控制中發(fā)揮作用，因此大型鳥可以實現(xiàn)雙足穩(wěn)定、快速、低耗能奔跑。資料來源：AnickAbourachidetal.TheNaturalBipeds,BirdsandHumans:AnInspirationforBipedalRobots，德邦研究所“鳥腿”低耗能、高性能、易控制、高便利基于鳥類步態(tài)分析設(shè)計出的“鳥腿”：Badri-Spr?witzetal.在基于鳥類的步態(tài)分析設(shè)計出了BirdBot，單腿2DOF，其中髖關(guān)節(jié)1DOF負責前后擺腿，另外1DOF負責膝蓋彎曲（擺腿階段）。優(yōu)勢體現(xiàn)在1）通過純機械方法實現(xiàn)雙足機器人步態(tài)切換，在站立過程、站立和擺腿動作切換中無需耗能，節(jié)能、承載力好、可實現(xiàn)遠距離行走；（2）主動關(guān)節(jié)數(shù)目少，腿部控制簡單、動態(tài)響應(yīng)速度快，減少對信號傳輸速度和傳感器要求?；谶\動性能優(yōu)化設(shè)計出的偽“鳥腿”：AgilityRobotics（迅捷機器人）研發(fā)的Cassie和Digit采用偽“鳥腿”，或稱“反關(guān)節(jié)”設(shè)計，單腿5DOF。該構(gòu)型最大的好處在于較優(yōu)的移動性能、可在復(fù)雜地形上移動且雙腿可折疊便于工廠工作及儲存。智元機器人在2023年推出的遠征A1也具有“反關(guān)節(jié)”設(shè)計，使雙足機器人能夠擁有更大的操作空間以應(yīng)對更多的任務(wù)場景。gaitwithminimalcontrolusingavian-inspiredlegclutching，德邦研究所AgilityRobotics官網(wǎng)，2023智元機器人遠征A1發(fā)布會，德邦研究所少數(shù)方案采用合成腿，能彌補單一生物啟發(fā)式腿部設(shè)計的缺陷SLIDER:沒有膝關(guān)節(jié)的腿部設(shè)計，髖關(guān)節(jié)4DOF（滾動、俯仰、偏擺和滑動）+踝關(guān)節(jié)2DOF。當前雙足機器人實現(xiàn)直腿行走較為困難，大多數(shù)雙足機器人需要在行走過程中維持膝蓋彎曲以避免膝關(guān)節(jié)的奇異問題，將總質(zhì)心控制在穩(wěn)定的高度以便控制。該設(shè)計存在三點顯著優(yōu)勢1）省去膝關(guān)節(jié)電機以降低腿部質(zhì)量、慣量和設(shè)計難度，同時可以保持和人腿相同的功能2）減小行走過程中總質(zhì)心在垂直方向的移動，與倒立擺模型更相近（機器人控制常用模型，符合該模型的腿部構(gòu)型可以實現(xiàn)高動態(tài)運動性能）。（3）實現(xiàn)直腿行走。資料來源：KeWanget.DesignandControlofSLIDER:AnUltra-lightweight,Knee-less,Low-costBipedalWalkingRobot，德邦研究所Knee-less,Low-costBipedalWa少數(shù)方案采用合成腿，能彌補單一生物啟發(fā)式腿部設(shè)計的缺陷LEO：能飛行、走鋼絲和滑滑板的機器人，單腿3DOF。同時控制螺旋槳和腿部關(guān)節(jié)，LEO的設(shè)計可以使雙足機器人1）更高的平衡力，完成走鋼絲和滑滑板等復(fù)雜動作2）更敏捷的行走狀態(tài)。多模式運動能力使其相比于僅能雙腿行走的機器人有更廣的應(yīng)用空間。但其腿部僅有3個自由度，其跌倒爬起能力受限。資料來源：KyunamKimetal.Abipedalwalkingr分析師與研究助理簡介陸強易：德邦證券研究所人形機器人&制造中小盤組分析師。華中科技大學金融學本科，中央財經(jīng)大學金融學碩士，3年國家信息中心經(jīng)濟咨詢中心高級分析師經(jīng)驗，主要從事新能源汽車市場咨詢工作；2年東北證券汽車高級研究員經(jīng)驗，主要覆蓋汽車電子和重卡。完顏尚文：德邦證券研究所人形機器人&制造中小盤助理研究員。南京大學工學學士、金融碩士。曾就職于中投公司，參與多個非公開市場基金、跟投項目的投資立項、盡職調(diào)查與風險管理工作。投資評級說明1.投資評級的比較和評級標準：報告發(fā)布日后6個月內(nèi)的公司股價（或行業(yè)指數(shù)）的漲跌幅相對同期市場基準指數(shù)的漲跌幅；股票投資評級相對強于市場表現(xiàn)20%以上；相對強于市場表現(xiàn)5%~20%；相對市場表現(xiàn)在-5%~+5%之間波動；2.市場基準指數(shù)的比較標準：A股市場以上證綜指或深證成指為基準；香港市場以恒生指數(shù)為基準；美國市場以標普500或納斯達克綜合指數(shù)為基準。行業(yè)投資評級優(yōu)于大市預(yù)期行業(yè)整體回報高于基準指數(shù)整體水平10%以上；預(yù)期行業(yè)整體回報介于基準指數(shù)整體水平-10%與10%之間；分析師聲明：本人具有中國證券業(yè)協(xié)會授予的證券投資咨詢執(zhí)業(yè)資格，以勤勉的職業(yè)態(tài)度、專業(yè)審慎的研究方法，使用合法合規(guī)的信息，獨立、客觀地出具本報告，本報告所采用的數(shù)據(jù)和信息均來自市場公開信息，