00雙足人形機器人腿部設計證券分析師姓名：陸強易郵箱：luqy3＠研究助理郵箱：wanyansw＠>腿部設計的重要性：影響雙足機器人運動性能，仍有提升空間>腿部構型設計準則：高總質心、低慣量、低質量、高剛性>6自由度“人腿”方案：雙足機器人最常見的腿部設定>創新腿方案：“鳥腿”和合成腿相較“人腿”存在獨特優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勢，應用場景廣闊。眾多優勢包括：1）地面適應性好、能耗小、工作空間大、能夠實現雙足行走；2）能夠直接適配人類環境，不需要為了適應機器人而進行改造；3）擁有類人的外形，更容易被人類接受。應用場景包括：面向惡劣條件、危險場景作業的服務特種領域，3C、汽車等制造業重點領域，醫療、家政等民生領域。由于技術限制，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硬件設計腿部構型影響雙足機器人的運動性能硬件設計腿部設計包括腿部構型、關節執行器硬件設計和運動控制軟件設計，三者共同影響機器人的運動性能。腿部構型設計是雙足機器人設計的關鍵一環，應與軟件優化升級同步進行。控制軟件可以一定程度上補償機械結構的缺陷，因此機械結構在機器人設計中常被忽視。但許多系統性能缺陷根源在于不良的機械結構。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型和驅動形式沒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構、機械部件的優化升級應同步進行。資料來源：丁宏鈺《雙足機器人腿部及其驅動器的設計理論與關鍵技術研究》，Kenji5雙足機器人腿部設計應遵循提高腿部高動態響應能力的總要求。人類設計雙足機器人的目的是為人類提供服務，把人類從簡單重復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）適應人類生存的環境如不平整路面、樓梯、斜坡路等；2）能夠完成行走、蹲起、爬起等復雜動作。適應復雜路況和執行復雜動作需要機器人腿部具有高的動態響應能力。腿部構型設計準則：高總質心、低慣量、低質量、高剛性提高機器人總質心。與人類不同，傳統雙足機器人質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量的40%左右，導致機器人的總質心處于機身較低位置。在機器人總高和質量不變的情況下，機器人橫向擺動隨著總質心高度的增加而減少，提高總質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定性。降低腿部慣量和質量。一方面，降低腿部慣量和質量有利于提高機器人的行走速度和行走穩定性；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劃過早接觸地面，影響機器人高速行走穩定性；高剛性腿部設計的模型誤差更低；高剛性腿不容易在動態行走過程中發生變形。計計資料來源：丁宏鈺《雙足機器人腿部及其驅動器的設計理論與關鍵技術研6自由度“人腿”方案：雙足機器人最常見的腿部設定89雙足機器人腿部構型分類概覽9按生物學模式，雙足機器人腿部設計可分為“人腿”、“鳥腿”和合成腿，大多數雙足機器人采用人腿方案?！叭送取焙汀傍B腿”均為生物啟發式腿部構型方案，即腿部構型符合人腿構型或鳥腿構型。絕大多數腿部構型采用人腿方案（ASIMO、HRP系列、WALKMAN、Optimus等），少數雙足機器人采用鳥腿（Cassie和Digit）和合成腿（Slider和Leo）。按選用的機構類型將“人腿”構型進一步分為串聯、并聯和串并聯混合三種類型。人腿方案差異體現在基于不同位置關節特點或腿部整體的考慮，選用不同的機構對關節進行排布。絕大多數雙足機器人基于髖關節、膝關節和踝關節各自的特點分別進行機構的設計，少數基于腿部整體對關節進行排布（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：髖關節3DOF+膝關節1DOF+踝關節2DOF人體/機器人機構能夠獨立運動的關節數目，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，但結構更加復雜，對機器人設計和控制要求更高。機器人機構自由度的選擇需要平衡運動性能和機構的復雜性。人體下半身共有8個自由度，其中7個為主動自由度：1）髖關節。三個自由度（髖關節外展-內收、屈曲-伸展、內-外旋轉2）膝關節。兩個自由度（膝關節屈曲-伸展、小腿內-外旋轉3）踝關節。兩個自由度（屈曲-伸展、旋旋-仰臥）。此外，還有1個被動自由度：膝關節的線位移。anddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicalltherapy，德邦研究所“人腿”自由度分布：髖關節3DOF+膝關節1DOF+踝關節2DOF雙足機器人腿部設計常選用旋轉關節，一個關節僅有一個自由度。運動學設計中常見的3種關節類型分別為直線（prismatic）、旋轉（revolute）和球形（spherical）關節：線性或棱柱形關節可以沿單個軸進行平移或滑動運動；旋轉關節圍繞一個自由度的點運動；球形關節可以圍繞一個點在多個自由度上移動，但其控制較為復雜，通常用3個旋轉關節代替。若無特別說明，本報告中的關節一般指旋轉關節。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自由度即可實現與人腿近似的形態和功能，大多數雙足機器人采用6自由度人腿方案。其中髖關節通常有3個自由度，分別控制關節滾動、俯仰、偏擺運動；膝關節只有1個俯仰自由度；踝關節有滾動、俯仰2個自由度。33膝關節3122anddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicalReview，石照耀《雙足機器人腿部新構型設計與試驗研究》，德邦研究所“人腿”構型分為串、并聯及串并聯混合三種類型雙足機器人腿部設計可采用三種機構：串聯、并聯和串并聯混合機構，以此作為人腿整體構型的分類依據。>1）串聯機構（a、b）：由多個連桿通過運動副（關節/鉸鏈）以串聯的形式連接成首尾不封閉的機構，每個關節由其驅動器獨立驅動；結構簡單、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，與腿部設計準則相背離。>2）并聯機構（c、d）：多個連桿首尾連接形成封閉的機構；最大的優勢在于可以將腿部執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，但要以機構復雜程度、控制難度增加為代價。>3）串并聯混合機構（e）：同時采用串聯和并聯兩種機構，結合串聯和并聯兩者的優勢，但缺點是機構復雜性和控制難度進一步增加。性能串聯機構并聯機構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構/控制復雜程度SerialLinkedStructuresinBipedRobotSystem，KenjiHashimotoMechanichumanoidrobot，德邦研究所y目前串并聯混合方案是“人腿”構型設計的主流方案目前并聯機構廣泛用于機器人腿部設計中，串并聯混合腿部構型成為主流方案。一方面，采用并聯機構的腿部構型能夠實現低慣量、高剛度、高質心、高負載腿的設計；另一方面機器人運動控制理論和技術的發展使得并聯機構的構建和控制具有可行性。丁宏鈺《雙足機器人腿部及其驅動器的設計理論與關鍵技術研究》表明，自2013年后有更多的雙足機器人使用并聯驅動裝置，并聯驅動裝置在總自由度中占比也在提高。WL-16機構/（DFKI）——合合合膝關節理論與關鍵技術研究》等文獻，德邦研究所髖關節、膝關節和踝關節的功能、位置不同，采用不同的機構髖關節常用串聯機構或串并聯混合機構。髖關節作為腿部的基座需要承受較大負載、且有較大的轉動角度/工作空間。串聯機構：結構簡單，作為腿部基座，其重量和慣量允許稍微較大。各方案差異體現在髖關節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節處的慣量（F.Negrelloetal.的研究表明，R-Y-P構型中俯仰關節作為運動鏈的最后一個關節，相比于P-R-Y減少16%慣量但無法同時實現較大的工作空間和較小的尺寸。WALKMAN采用R-Y-P方案，略微增加滾動關節的慣量，實現偏擺關節慣量大幅下降。Y-R-PWALKMANOptimizationforEnOptimizationforEn髖關節、膝關節和踝關節的功能、位置不同，采用不同的機構串并聯混合機構：該方案在減小慣量的同時，能夠實現較大的工作空間。RHP2采用俯仰和滾動關節并聯+單獨的偏擺關節的方案，偏擺關節的間隙會略微影響整個腿部的定位精度，俯仰關節和滾動關節由兩個線性執行器共同控制。RH5采用偏擺和滾動關節串聯+曲柄連桿機構（1-RRPR）驅動俯仰關節，引入了被動關節。并聯機構：僅采用并聯機構方案的設計很少，因該方案髖關節的運動范圍受限。WL-16（2006）、ROBIAN（2002）、LISA（2005）等早期的雙足機器人有采用并聯方案。hybridRH5humanoidrobot，德邦研究所g髖關節、膝關節和踝關節的功能、位置不同，采用不同的機構膝關節采用旋轉執行器或直線執行器驅動，通常將膝關節電機上移到大腿，通過連桿機構將動力傳輸到膝關節位置。在腿部彎曲時，膝關節需要承受很大負載，要求較大的輸出轉矩，但是較大轉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、減少關節的反驅動能力。常見的解決辦法1）改進關節電機：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將膝關節電機布置在大腿中部，通過四連桿機構把動力傳遞到膝關節位置；LOLA和RH5采用具有線性驅動器的曲柄連桿機構實現；KoheiTomishiroetal.DesignofRobotLegwithVariableReductionRatioCrossedFour-barLinkageMechanism中模仿動物的十字韌帶設計了交叉四連桿機構用于膝關節，提高了足式機器人的跳躍高度。膝關節電機位置ASIMO膝關節位置——膝關節位置————WALK-MANWL-16————資料來源：河馬機器人，丁宏鈺《雙足機器人腿部及驅動器的設計理論與關鍵技資料來源：丁宏鈺《雙足機器人腿部及驅動器的設計理論與關鍵技術研究》，髖關節、膝關節和踝關節的功能、位置不同，采用不同的機構踝關節兩個自由度常采用并聯機構。相比于髖關節和膝關節，踝關節采用并聯構型的優勢更大，具體體現在：（1）并聯機構的采用增大踝關節的剛度，增強直立狀態的穩定性且不需太高的扭矩輸出。（2）通過將執行器、減速器等重量大的部件上移到小腿或大腿處，可以實現低慣量腿的設計。各方案具體實現存在差異，通常以連桿（ASIMO、TORO、Valkyrie）或絲杠方式（LOLA、RH5、Optimus）實現。踝關節電機位置ASIMO——————踝關節處——————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動器的設計理論與關MechanismofLOLA，德邦研究所“鳥腿”和合成腿相較“人腿”具備自身優勢“鳥腿”和合成腿相較“人腿”具備自身優勢“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，腿和腳關節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。鳥類的腿部控制由其神經系統和機械構造共同完成。MonicaDaleyetal.BirdBotisenergy-efficientthankstonatureasamodel研究結果表明，鳥類腿部對障礙物的反應速度超過神經系統發揮作用的速度，其獨特的多關節肌肉-肌腱結構和腳步運動方式在腿部控制中發揮作用，因此大型鳥可以實現雙足穩定、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分析設計出的“鳥腿”：Badri-Spr?witzetal.在基于鳥類的步態分析設計出了BirdBot，單腿2DOF，其中髖關節1DOF負責前后擺腿，另外1DOF負責膝蓋彎曲（擺腿階段）。優勢體現在1）通過純機械方法實現雙足機器人步態切換，在站立過程、站立和擺腿動作切換中無需耗能，節能、承載力好、可實現遠距離行走；（2）主動關節數目少，腿部控制簡單、動態響應速度快，減少對信號傳輸速度和傳感器要求。基于運動性能優化設計出的偽“鳥腿”：AgilityRobotics（迅捷機器人）研發的Cassie和Digit采用偽“鳥腿”，或稱“反關節”設計，單腿5DOF。該構型最大的好處在于較優的移動性能、可在復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“反關節”設計，使雙足機器人能夠擁有更大的操作空間以應對更多的任務場景。gaitwithminimalcontrolusingavian-inspiredlegclutching，德邦研究所AgilityRobotics官網，2023智元機器人遠征A1發布會，德邦研究所少數方案采用合成腿，能彌補單一生物啟發式腿部設計的缺陷SLIDER:沒有膝關節的腿部設計，髖關節4DOF（滾動、俯仰、偏擺和滑動）+踝關節2DOF。當前雙足機器人實現直腿行走較為困難，大多數雙足機器人需要在行走過程中維持膝蓋彎曲以避免膝關節的奇異問題，將總質心控制在穩定的高度以便控制。該設計存在三點顯著優勢1）省去膝關節電機以降低腿部質量、慣量和設計難度，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型可以實現高動態運動性能）。（3）實現直腿行走。資料來源：KeWanget.DesignandControlofSLIDER:AnUltra-lightweight,Knee-less,Low-costBipedalWalkingRobot，德邦研究所Knee-less,Low-costBipedalWa少數方案采用合成腿，能彌補單一生物啟發式腿部設計的缺陷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節，LEO的設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雜動作2）更敏捷的行走狀態。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，中央財經大學金融學碩士，3年國家信息中心經濟咨詢中心高級分析師經驗，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：報告發布日后6個月內的公司股價（或行業指數）的漲跌幅相對同期市場基準指數的漲跌幅；股票投資評級相對強于市場表現20%以上；相對強于市場表現5%~20%；相對市場表現在-5%~+5%之間波動；2.市場基準指數的比較標準：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為基準；美國市場以標普500或納斯達克綜合指數為基準。行業投資評級優于大市預期行業整體回報高于基準指數整體水平10%以上；預期行業整體回報介于基準指數整體水平-10%與10%之間；分析師聲明：本人具有中國證券業協會授予的證券投資咨詢執業資格，以勤勉的職業態度、專業審慎的研究方法，使用合法合規的信息，獨立、客觀地出具本報告，本報告所采用的數據和信息均來自市場公開信息，