雙足人形機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)原則與構(gòu)型分類解析

0雙足人形機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)原則與構(gòu)型分類解析證券分析師姓名：陸強(qiáng)易資格編號(hào)：S0120523110001郵箱：luqy3＠研究助理姓名：完顏尚文郵箱：wanyansw＠證券研究報(bào)告

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行業(yè)研究2024年2月1日1CONTENTS

目錄腿部設(shè)計(jì)的重要性：影響雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能，仍有提升空間腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)準(zhǔn)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(jī)器人最常見(jiàn)的腿部設(shè)定創(chuàng)新腿方案：“鳥(niǎo)腿”和合成腿相較“人腿”存在獨(dú)特優(yōu)勢(shì)2請(qǐng)務(wù)必閱讀正文之后的信息披露及法律聲明。腿部設(shè)計(jì)的重要性：影響雙足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能，仍有提升空間013資料來(lái)源：Tesla

AIDay

2022，youtube特斯拉官方賬號(hào)，德邦研究所雙足機(jī)器人能夠直接適配人類環(huán)境，但運(yùn)動(dòng)能力有待提升雙足機(jī)器人具有眾多優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。眾多優(yōu)勢(shì)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(jī)器人而進(jìn)行改造；3）擁有類人的外形，更容易被人類接受。應(yīng)用場(chǎng)景包括：面向惡劣條件、危險(xiǎn)場(chǎng)景作業(yè)的服務(wù)特種領(lǐng)域，3C、汽車等制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域，醫(yī)療、家政等民生領(lǐng)域。由于技術(shù)限制，雙足機(jī)器人腿部尚未達(dá)到人類骨骼肌肉的運(yùn)動(dòng)能力水平。目前，雙足機(jī)器人還沒(méi)有全面達(dá)到人類的運(yùn)動(dòng)和感知能力，因此還沒(méi)有一款雙足機(jī)器人能夠真正走入人類生活。圖表：雙足機(jī)器人擁有類人外形 圖表：雙足機(jī)器人地面適應(yīng)性好，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景資料來(lái)源：

Grzegorz

Ficht

et

al.

Bipedal

Humanoid

Hardware

Design:

aTechnology

Review，德邦研究所4腿部設(shè)計(jì)包括腿部構(gòu)型、關(guān)節(jié)執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)，三者共同影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)是雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)，應(yīng)與軟件優(yōu)化升級(jí)同步進(jìn)行。控制軟件可以一定程度上補(bǔ)償機(jī)械結(jié)構(gòu)的缺陷，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)在機(jī)器人設(shè)計(jì)中常被忽視。但許多系統(tǒng)性能缺陷根源在于不良的機(jī)械結(jié)構(gòu)。雙足機(jī)器人沒(méi)有全面達(dá)到人類的運(yùn)動(dòng)能力，是因?yàn)闄C(jī)器人的腿部構(gòu)型和驅(qū)動(dòng)形式?jīng)]有達(dá)到人類骨骼肌肉的運(yùn)動(dòng)能力水平，因此控制軟件與機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件的優(yōu)化升級(jí)應(yīng)同步進(jìn)行。圖表：腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)影響雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能資料來(lái)源：丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》，Kenji

Hashimoto

Mechanicsofhumanoidrobot，德邦研究所繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器控制軟件機(jī)器人設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能腿部構(gòu)型關(guān)節(jié)執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)控制腿部設(shè)計(jì)腿部運(yùn)動(dòng)性能硬件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)腿部構(gòu)型影響雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能5請(qǐng)務(wù)必閱讀正文之后的信息披露及法律聲明。02腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：高總質(zhì)心、低慣量、低質(zhì)量、高剛性6資料來(lái)源：深圳商報(bào)，河馬機(jī)器人官網(wǎng)，鳳凰網(wǎng)，本田中國(guó)官網(wǎng)，澎湃新聞，德邦研究所雙足機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)應(yīng)遵循提高腿部高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的總要求。人類設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人的目的是為人類提供服務(wù)，把人類從簡(jiǎn)單重復(fù)或危險(xiǎn)繁重的工作中解脫出來(lái)，對(duì)雙足機(jī)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(dòng)作。適應(yīng)復(fù)雜路況和執(zhí)行復(fù)雜動(dòng)作需要機(jī)器人腿部具有高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。圖表：雙足機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)應(yīng)遵循提高腿部高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的總要求設(shè)計(jì)總要求：提高雙足機(jī)器人腿部高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力圖表：腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)要把握高總質(zhì)心、低慣量、低質(zhì)量、高剛性的準(zhǔn)則資料來(lái)源：丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》，德邦研究所繪制腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：高總質(zhì)心、低慣量、低質(zhì)量、高剛性提高機(jī)器人總質(zhì)心。與人類不同，傳統(tǒng)雙足機(jī)器人質(zhì)量的較大部分集中在腿部，且電機(jī)和減速器占了機(jī)器人整體質(zhì)量的

40%左右，導(dǎo)致機(jī)器人的總質(zhì)心處于機(jī)身較低位置。在機(jī)器人總高和質(zhì)量不變的情況下，機(jī)器人橫向擺動(dòng)隨著總質(zhì)心高度的增加而減少，提高總質(zhì)心進(jìn)而減少橫向擺動(dòng)以提高機(jī)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(jī)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(jī)器人腿部剛性不足，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人行走過(guò)程中足部相對(duì)于規(guī)劃過(guò)早接觸地面，影響機(jī)器人高速行走穩(wěn)定性；高剛性腿部設(shè)計(jì)的模型誤差更低；高剛性腿不容易在動(dòng)態(tài)行走過(guò)程中發(fā)生變形。提高總質(zhì)心降低慣量、質(zhì)量提高剛性腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)提高交互安全性執(zhí)行器設(shè)計(jì)腿部設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)性能圖表：與人體不同，傳統(tǒng)雙足機(jī)器人質(zhì)心一般在腿部或盆骨處資料來(lái)源：Donghyun

Kim

et

al.

Dynamic

Locomotion

For

Passive-Ankle

Biped7Robots

AndHumanoidsUsingWhole-Body

LocomotionControl，德邦研究所8請(qǐng)務(wù)必閱讀正文之后的信息披露及法律聲明。036自由度“人腿”方案：雙足機(jī)器人最常見(jiàn)的腿部設(shè)定9資料來(lái)源：TadeuszMikolajczyketal.RecentAdvancesinBipedalWalkingRobots：ReviewofGait,Drive,SensorsandControlSystems，GrzegorzFicht

etal.

Bipedal

HumanoidHardwareDesign:

a

Technology

Review，德邦研究所繪制按生物學(xué)模式，雙足機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)可分為“人腿”、“鳥(niǎo)腿”和合成腿，大多數(shù)雙足機(jī)器人采用人腿方案?！叭送取焙汀傍B(niǎo)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(niǎo)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(jī)器人采用鳥(niǎo)腿（Cassie和Digit）和合成腿（Slider和Leo）。按選用的機(jī)構(gòu)類型將“人腿”構(gòu)型進(jìn)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(diǎn)或腿部整體的考慮，選用不同的機(jī)構(gòu)對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行排布。絕大多數(shù)雙足機(jī)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(diǎn)分別進(jìn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，少數(shù)基于腿部整體對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行排布（Gim

et

al.,2018）。圖表：雙足機(jī)器人腿部構(gòu)型分類概覽“人腿”“鳥(niǎo)腿”合成腿CassieDigitSlider Leo雙足機(jī)器人腿部構(gòu)型串聯(lián)并聯(lián)串并聯(lián)混合按生物模式雙足機(jī)器人腿部構(gòu)型分類概覽按機(jī)構(gòu)類型ASIMO HRP系列 WALKMAN Optimus圖表：人體下半身共有8個(gè)自由度，其中7個(gè)為主動(dòng)自由度資料來(lái)源：SK

Hasan

et

al.

8

Degrees

of

freedom

human

lower

extremity

kinematicanddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicaltherapy，德邦研究所人體/機(jī)器人機(jī)構(gòu)能夠獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目，稱為運(yùn)動(dòng)自由度，簡(jiǎn)稱自由度（Degree

of

Freedom

/

DOF）。機(jī)器人的自由度越多，運(yùn)動(dòng)越靈活、通用性越好，但結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)和控制要求更高。機(jī)器人機(jī)構(gòu)自由度的選擇需要平衡運(yùn)動(dòng)性能和機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。人體下半身共有8個(gè)自由度，其中7個(gè)為主動(dòng)自由度：1）髖關(guān)節(jié)。三個(gè)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(gè)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(gè)自由度（屈曲-伸展、旋旋-仰臥）。此外，還有1個(gè)被動(dòng)自由度：膝關(guān)節(jié)的線位移?！叭送取弊杂啥确植迹后y關(guān)節(jié)3DOF+膝關(guān)節(jié)1DOF+踝關(guān)節(jié)2DOF圖表：人體下肢骨骼與髖關(guān)節(jié)球窩結(jié)構(gòu)資料來(lái)源：SK

Hasan

et

al.

8

Degrees

of

freedom

human

lower

extremity

kinematicanddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedph1ys0icaltherapy，德邦研究所11資料來(lái)源：SK

Hasan

et

al.

8

Degrees

of

freedom

human

lower

extremity

kinematicanddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicaltherapy，GrzegorzFichtetal.BipedalHumanoidHardwareDesign:aTechnologyReview，石照耀《雙足機(jī)器人腿部新構(gòu)型設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究》，德邦研究所關(guān)節(jié)部位人體自由度機(jī)器人自由度機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)髖關(guān)節(jié)33滾動(dòng)、俯仰、偏擺膝關(guān)節(jié)31俯仰踝關(guān)節(jié)22滾動(dòng)、俯仰雙足機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)常選用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，一個(gè)關(guān)節(jié)僅有一個(gè)自由度。運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)中常見(jiàn)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(gè)軸進(jìn)行平移或滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)圍繞一個(gè)自由度的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；球形關(guān)節(jié)可以圍繞一個(gè)點(diǎn)在多個(gè)自由度上移動(dòng)，但其控制較為復(fù)雜，通常用3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)代替。若無(wú)特別說(shuō)明，本報(bào)告中的關(guān)節(jié)一般指旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。雙足機(jī)器人單腿自由度通常為6個(gè)。人體單腿自由度為8個(gè)，對(duì)于機(jī)器人而言，單腿6自由度即可實(shí)現(xiàn)與人腿近似的形態(tài)和功能，大多數(shù)雙足機(jī)器人采用6自由度人腿方案。其中髖關(guān)節(jié)通常有3個(gè)自由度，分別控制關(guān)節(jié)滾動(dòng)、俯仰、偏擺運(yùn)動(dòng)；膝關(guān)節(jié)只有1個(gè)俯仰自由度；踝關(guān)節(jié)有滾動(dòng)、俯仰2個(gè)自由度。圖表：大多數(shù)雙足機(jī)器人采用6自由度人腿方案 圖表：大多數(shù)雙足機(jī)器人腿部構(gòu)造基于人腿設(shè)計(jì)資料來(lái)源：Sebastian

Lohmeier

et

al.

Humanoid

robot

LOLA，Asimo

technicalinformation，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圖表：雙足機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)可采用串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)混合三種機(jī)構(gòu)資料來(lái)源：Grzegorz

Ficht

et

al.

Bipedal

Humanoid

Hardware

Design:

a

TechnologyReview，德邦研究所12圖表：串聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、好控制；并聯(lián)機(jī)構(gòu)利于減小腿部慣量、提高剛度資料來(lái)源：Mitsuharu

Morisawa

et

al.

A

Comparison

Study

between

Parallel

andSerialLinkedStructuresinBipedRobotSystem，KenjiHashimotoMechanicsofhumanoid

robot，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(jī)器人腿部設(shè)計(jì)可采用三種機(jī)構(gòu)：串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)混合機(jī)構(gòu)，以此作為人腿整體構(gòu)型的分類依據(jù)。1）串聯(lián)機(jī)構(gòu)（a、b）：由多個(gè)連桿通過(guò)運(yùn)動(dòng)副（關(guān)節(jié)/鉸鏈）以串聯(lián)的形式連接成首尾不封閉的機(jī)構(gòu)，每個(gè)關(guān)節(jié)由其驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)力學(xué)性能較差，與腿部設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相背離。2）并聯(lián)機(jī)構(gòu)（c、d）：多個(gè)連桿首尾連接形成封閉的機(jī)構(gòu)；最大的優(yōu)勢(shì)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(fù)載能力都能得到提高，但要以機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度、控制難度增加為代價(jià)。3）串并聯(lián)混合機(jī)構(gòu)（e）：同時(shí)采用串聯(lián)和并聯(lián)兩種機(jī)構(gòu)，結(jié)合串聯(lián)和并聯(lián)兩者的優(yōu)勢(shì)，但缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜性和控制難度進(jìn)一步增加。性能串聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間大小定位精度積累/低平均/高慣量大小剛度低高負(fù)載小大結(jié)構(gòu)/控制復(fù)雜程度簡(jiǎn)單困難13資料來(lái)源：河馬機(jī)器人，Tesla

AI

Day2022，丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》

等文獻(xiàn)，德邦研究所目前串并聯(lián)混合方案是“人腿”構(gòu)型設(shè)計(jì)的主流方案型號(hào)DRC-Hubo+WL-16ASIMOLOLARH5WABIANOptimus機(jī)構(gòu)/公司KAIST早稻田大學(xué)本田慕尼黑工業(yè)大學(xué)德國(guó)人工智能研究中心（DFKI）NASA特斯拉國(guó)家韓國(guó)日本日本德國(guó)德國(guó)美國(guó)美國(guó)時(shí)間2015年2003年2000年2006年——2006年2022年腿部構(gòu)型串聯(lián)并聯(lián)串并聯(lián)混合串并聯(lián)混合串并聯(lián)混合串并聯(lián)混合串并聯(lián)混合髖關(guān)節(jié)串聯(lián)并聯(lián)串聯(lián)串聯(lián)串聯(lián)串聯(lián)串并聯(lián)混合膝關(guān)節(jié)串聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)串聯(lián)并聯(lián)踝關(guān)節(jié)串聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)并聯(lián)關(guān)節(jié)執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)直線旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)+直線旋轉(zhuǎn)+直線旋轉(zhuǎn)+直線旋轉(zhuǎn)+直線目前并聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛用于機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)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(jī)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(fù)載腿的設(shè)計(jì)；另一方面機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制理論和技術(shù)的發(fā)展使得并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)建和控制具有可行性。丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》表明，自

2013

年后有更多的雙足機(jī)器人使用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)裝置，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)裝置在總自由度中占比也在提高。圖表：2013年后，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)裝置在總自由度中占比在提高 圖表：目前串并聯(lián)混合方案是腿部構(gòu)型設(shè)計(jì)的主流方案資料來(lái)源：丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》，德邦研究所14圖表：串聯(lián)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、好控制；并聯(lián)機(jī)構(gòu)利于減小腿部慣量、提高剛度資料來(lái)源：

F.Negrello

et

al.

WALK-MAN

Humanoid

Lower

body

DesignOptimization

forEnhanced

Physical

Performance，德邦研究所圖表：串聯(lián)構(gòu)型的髖關(guān)節(jié)：各方案差異體現(xiàn)在髖關(guān)節(jié)三個(gè)自由度的排布順序上資料來(lái)源：

F.Negrello

et

al.

WALK-MAN

Humanoid

Lower

body

DesignOptimizationforEnhanced

Physical

Performance，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(jī)構(gòu)髖關(guān)節(jié)常用串聯(lián)機(jī)構(gòu)或串并聯(lián)混合機(jī)構(gòu)。髖關(guān)節(jié)作為腿部的基座需要承受較大負(fù)載、且有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度/工作空間。串聯(lián)機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)自由度的排布順序上。最常用的方案是偏擺-滾動(dòng)-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(dòng)和俯仰關(guān)節(jié)處的慣量（F.Negrello

et

al.的研究表明，R-Y-P構(gòu)型中俯仰關(guān)節(jié)作為運(yùn)動(dòng)鏈的最后一個(gè)關(guān)節(jié)，相比于P-R-Y減少16%慣量

），但無(wú)法同時(shí)實(shí)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(dòng)關(guān)節(jié)的慣量，實(shí)現(xiàn)偏擺關(guān)節(jié)慣量大幅下降。髖關(guān)節(jié)類型雙足機(jī)器人型號(hào)Y-R-PHRP-2,

Valkyrie,HUBOR-Y-PWALKMANP-R-YCOMANR-P-YTORO資料來(lái)源：Julian

E?er

et

al.

Design

analysis

and

control

of

the

series-parallelhybrid

RH5

humanoid

robot，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(jī)構(gòu)資料來(lái)源：

Yusuke

Sugahara

et

al.

WL-16RII:

Prototype

of

Biped

Wal1ki5ngWheelchair，德邦研究所串并聯(lián)混合機(jī)構(gòu)：該方案在減小慣量的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的工作空間。RHP2采用俯仰和滾動(dòng)關(guān)節(jié)并聯(lián)+單獨(dú)的偏擺關(guān)節(jié)的方案，偏擺關(guān)節(jié)的間隙會(huì)略微影響整個(gè)腿部的定位精度，俯仰關(guān)節(jié)和滾動(dòng)關(guān)節(jié)由兩個(gè)線性執(zhí)行器共同控制。RH5采用偏擺和滾動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)+曲柄連桿機(jī)構(gòu)（1-RRPR）驅(qū)動(dòng)俯仰關(guān)節(jié)，引入了被動(dòng)關(guān)節(jié)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)：僅采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)很少，因該方案髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍受限。WL-16（2006）、ROBIAN（2002）、LISA（2005）等早期的雙足機(jī)器人有采用并聯(lián)方案。圖表：RH5采用偏擺和滾動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)+曲柄連桿機(jī)構(gòu)（1-RRPR）驅(qū)動(dòng)俯仰關(guān)節(jié) 圖表：WL-16（2006）等早期的雙足機(jī)器人有采用并聯(lián)髖關(guān)節(jié)方案16資料來(lái)源：丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》，Leg

Mechanism

of

LOLA，德邦研究所資料來(lái)源：河馬機(jī)器人，丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》等文獻(xiàn)，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(jī)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(dòng)，通常將膝關(guān)節(jié)電機(jī)上移到大腿，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳輸?shù)较リP(guān)節(jié)位置。在腿部彎曲時(shí)，膝關(guān)節(jié)需要承受很大負(fù)載，要求較大的輸出轉(zhuǎn)矩，但是較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)會(huì)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(dòng)能力。常見(jiàn)的解決辦法：（1）改進(jìn)關(guān)節(jié)電機(jī)：當(dāng)前雙足機(jī)器人多采用高輸出的無(wú)框電機(jī)，如WALK-MAN、COMAN等；（2）增加傳動(dòng)裝置：各機(jī)器人方案采用的傳動(dòng)方式存在差異。如ASIMO將膝關(guān)節(jié)電機(jī)布置在大腿中部，通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)把動(dòng)力傳遞到膝關(guān)節(jié)位置；LOLA和RH5采用具有線性驅(qū)動(dòng)器的曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)；Kohei

Tomishiro

et

al.

Design

of

Robot

Leg

with

Variable

Reduction

Ratio

Crossed

Four-bar

Linkage

Mechanism中模仿動(dòng)物的十字韌帶設(shè)計(jì)了交叉四連桿機(jī)構(gòu)用于膝關(guān)節(jié)，提高了足式機(jī)器人的跳躍高度。圖表：通常將膝關(guān)節(jié)電機(jī)上移到大腿，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳輸?shù)较リP(guān)節(jié)位置 圖表：ASIMO：旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器+四連桿機(jī)構(gòu)，LOLA：線性驅(qū)動(dòng)器+曲柄連桿機(jī)構(gòu)型號(hào)推出時(shí)間執(zhí)行器類型膝關(guān)節(jié)電機(jī)位置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)ASIMO2000年旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器上移到大腿中部四連桿機(jī)構(gòu)Coman2012年旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器膝關(guān)節(jié)位置——DRC-Hubo+2015年旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器膝關(guān)節(jié)位置——LOLA2006年線性執(zhí)行器靠近髖關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)Optimus2022年線性執(zhí)行器上移到大腿四連桿機(jī)構(gòu)RH5——線性執(zhí)行器上移到大腿曲柄連桿機(jī)構(gòu)WALK-MAN2015年旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器靠近髖關(guān)節(jié)四連桿機(jī)構(gòu)WL-162003年線性執(zhí)行器————17資料來(lái)源：河馬機(jī)器人，IEEE，丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)

資料來(lái)源：丁宏鈺《雙足機(jī)器人腿部及驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究》，Leg鍵技術(shù)研究》等文獻(xiàn)，德邦研究所 Mechanism

of

LOLA，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(jī)構(gòu)踝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度常采用并聯(lián)機(jī)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(shì)更大，具體體現(xiàn)在：（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)的采用增大踝關(guān)節(jié)的剛度，增強(qiáng)直立狀態(tài)的穩(wěn)定性且不需太高的扭矩輸出。（2）通過(guò)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(shí)現(xiàn)低慣量腿的設(shè)計(jì)。各方案具體實(shí)現(xiàn)存在差異，通常以連桿（ASIMO、TORO、Valkyrie）或絲杠方式（LOLA、RH5、Optimus）實(shí)現(xiàn)。圖表：踝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度常采用并聯(lián)機(jī)構(gòu) 圖表：LOLA和Valkyrie分別通過(guò)絲杠、連桿方式實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)型號(hào)推出時(shí)間機(jī)構(gòu)類型執(zhí)行器類型踝關(guān)節(jié)電機(jī)位置傳動(dòng)裝置ASIMO2000年并聯(lián)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器上移到膝關(guān)節(jié)中心同步帶、連桿DURUS——并聯(lián)（兩個(gè)電機(jī)和減速器交錯(cuò)布置）旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器————DRC-Hubo+2015年串聯(lián)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器踝關(guān)節(jié)處——LOLA2006年并聯(lián)（2-PSU+1U）線性執(zhí)行器上移到大腿同步帶、滾柱絲杠Optimus2022年并聯(lián)線性執(zhí)行器上移到小腿滾柱絲杠RH5——并聯(lián)（2-SPRR+U）線性執(zhí)行器——絲杠TORO2012年并聯(lián)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器上移到膝關(guān)節(jié)下連桿Valkyrie2013年并聯(lián)線性執(zhí)行器——連桿WL-162003年并聯(lián)線性執(zhí)行器————18請(qǐng)務(wù)必閱讀正文之后的信息披露及法律聲明。04創(chuàng)新腿方案：“鳥(niǎo)腿”和合成腿相較“人腿”具備自身優(yōu)勢(shì)19“鳥(niǎo)腿”低耗能、高性能、易控制、高便利鳥(niǎo)類和人類在行走過(guò)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(duì)于鳥(niǎo)類，腿和腳關(guān)節(jié)的機(jī)械耦合使鳥(niǎo)在擺腿中會(huì)把腳向后折疊，使得像鴕鳥(niǎo)（有的體重超過(guò)100kg，奔跑速度可以達(dá)到55km/h）一樣的大型鳥(niǎo)可以快速奔跑、不費(fèi)力地保持直立狀態(tài)。鳥(niǎo)類的腿部控制由其神經(jīng)系統(tǒng)和機(jī)械構(gòu)造共同完成。Monica

Daley

et

al.

BirdBot

is

energy-efficient

thanks

to

nature

as

a

model研究結(jié)果表明，鳥(niǎo)類腿部對(duì)障礙物的反應(yīng)速度超過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮作用的速度，其獨(dú)特的多關(guān)節(jié)肌肉-肌腱結(jié)構(gòu)和腳步運(yùn)動(dòng)方式在腿部控制中發(fā)揮作用，因此大型鳥(niǎo)可以實(shí)現(xiàn)雙足穩(wěn)定、快速、低耗能奔跑。圖表：鳥(niǎo)類和人類的腿部構(gòu)型存在差異，在行走過(guò)程中呈現(xiàn)不同的姿態(tài)資料來(lái)源：Anick

Abourachid

et

al.The

Natural

Bipeds,

Birds

and

Humans:

An

Inspiration

for

BipedalRobots，德邦研究所“鳥(niǎo)腿”低耗能、高性能、易控制、高便利資料來(lái)源：Alexander

Badri-Spr?witz

et

al.

BirdBot

achieves

energy-efficientgait

with

minimalcontrol

using

avian-inspired

leg

clutching，德邦研究所基于鳥(niǎo)類步態(tài)分析設(shè)計(jì)出的“鳥(niǎo)腿”：Badri-Spr?witz

et

al.

在基于鳥(niǎo)類的步態(tài)分析設(shè)計(jì)出了BirdBot，單腿2DOF，其中髖關(guān)節(jié)1DOF負(fù)責(zé)前后擺腿，另外1DOF負(fù)責(zé)膝蓋彎曲（擺腿階段）。優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：（1）通過(guò)純機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人步態(tài)切換，在站立過(guò)程、站立和擺腿動(dòng)作切換中無(wú)需耗能，節(jié)能、承載力好、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離行走；（2）主動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)目少，腿部控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，減少對(duì)信號(hào)傳輸速度和傳感器要求?；谶\(yùn)動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)出的偽“鳥(niǎo)腿”：Agility

Robotics（迅捷機(jī)器人）研發(fā)的Cassie和Digit采用偽“鳥(niǎo)腿”，或稱“反關(guān)節(jié)”設(shè)計(jì)，單腿5DOF。該構(gòu)型最大的好處在于較優(yōu)的移動(dòng)性能、可在復(fù)雜地形上移動(dòng)且雙腿可折疊便于工廠工作及儲(chǔ)存。智元機(jī)器人在2023年推出的遠(yuǎn)征A1也具有“反關(guān)節(jié)”設(shè)計(jì)，使雙足機(jī)器人能夠擁有更大的操作空間以應(yīng)對(duì)更多的任務(wù)場(chǎng)景。圖表：BirdBot的“鳥(niǎo)腿”設(shè)計(jì)基于鳥(niǎo)類步態(tài)分析，低耗能、高性能 圖表：Digit和遠(yuǎn)征A1的偽“鳥(niǎo)腿”，便捷性、應(yīng)用性強(qiáng)資料來(lái)源：Andrew

M.

Abate

Mechanical

Designfor

RobotLocomotion，

20Agility

Robotics官網(wǎng)，2023智元機(jī)器人遠(yuǎn)征A1發(fā)布會(huì)，德邦研究所資料來(lái)源：Ke

Wang

et.

Design

and

Control

of

SLIDER:

An

Ultra-lightweight,

21Knee-less,

Low-cost

Bipedal

Walking

Robot，德邦研究所資料來(lái)源：

Ke

Wang

et.

Design

and

Control

of

SLIDER:

An

Ultra-lightweight,

Knee-less,

Low-cost

Bipedal

Walking

Robot，德邦研究所SLIDER:

沒(méi)有膝關(guān)節(jié)的腿部設(shè)計(jì)，髖關(guān)節(jié)4DOF（滾動(dòng)、俯仰、偏擺和滑動(dòng)）+踝關(guān)節(jié)2DOF。當(dāng)前雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)直腿行走較為困難，大多數(shù)雙足機(jī)器人需要在行走過(guò)程中維持膝蓋彎曲以避免膝關(guān)節(jié)的奇異問(wèn)題，將總質(zhì)心控制在穩(wěn)定的高度以便控制。該設(shè)計(jì)存在三點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)：（1）省去膝關(guān)節(jié)電機(jī)以降低腿部質(zhì)量、慣量和設(shè)計(jì)難度，同時(shí)可以保持和人腿相同的功能；（2）減小行走過(guò)程中總質(zhì)心在垂直方向的移動(dòng)，與倒立擺模型更相近（機(jī)器人控制常用模型，符合該模型的腿部構(gòu)型可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能）。（3）實(shí)現(xiàn)直腿行走。圖表：SLIDER腿部無(wú)膝蓋，髖關(guān)節(jié)4DOF+踝關(guān)節(jié)2DOF 圖表：SLIDER腿部設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)輕量化少數(shù)方案采用合成腿，能彌補(bǔ)單一生物啟發(fā)式腿部設(shè)計(jì)的缺陷資料來(lái)源：Kyunam

Kim

et

al.A

bipedal

walking

robot

that

can

fly,slackline,

22and

skateboard，德邦研究所資料來(lái)源：Kyunam

Kim

et

al.A

bipedal

walking

robot

that

can

fly,slackline,and

skateboard，德邦研究所LEO：能飛行、走鋼絲和滑滑板的機(jī)器人，單腿3DOF。同時(shí)控制螺旋槳和腿部關(guān)節(jié)，LEO的設(shè)計(jì)可以使雙足機(jī)器人：（1）更高的平衡力，完成走鋼絲和滑滑板等復(fù)雜動(dòng)作；（2）更敏捷的行走狀態(tài)。多模式運(yùn)動(dòng)能力使其相比于僅能雙腿行走的機(jī)器人有更廣的應(yīng)用空間。但其腿部?jī)H有3個(gè)自由度，其跌倒爬起能力受限。圖表：LEO能飛行、走鋼絲和滑滑板 圖表：LEO單腿3DOF，跌倒爬起能力受限少數(shù)方案采用合成腿，能彌補(bǔ)單一生物啟發(fā)式腿部設(shè)計(jì)的缺陷23風(fēng)險(xiǎn)提示人形機(jī)器人研發(fā)進(jìn)展不及預(yù)期人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展不及預(yù)期行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇24信息披露分析師與研究助理簡(jiǎn)介陸強(qiáng)易：德邦證券研究所人形機(jī)器人&制造中小盤組分析師。華中科技大學(xué)金融學(xué)本科，中央財(cái)經(jīng)大學(xué)金融學(xué)碩士，3年國(guó)家信息中心經(jīng)濟(jì)咨詢中心高級(jí)分析師經(jīng)驗(yàn)，主要從事新能源汽車市場(chǎng)咨詢工作；2年?yáng)|北證券汽車高級(jí)研究員經(jīng)驗(yàn)，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(jī)器人&制造中小盤助理研究員。南京大學(xué)工學(xué)學(xué)士、金融碩士。曾就職于中投公司，參與多個(gè)非公開(kāi)市場(chǎng)基金、跟投項(xiàng)目的投資立項(xiàng)、盡職調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)管理工作。投資評(píng)級(jí)說(shuō)明1.投資評(píng)級(jí)的比較和評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：以報(bào)告發(fā)布后的6個(gè)月內(nèi)的市場(chǎng)表現(xiàn)為比較標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)告發(fā)布日后6個(gè)月內(nèi)的公司股價(jià)（或行業(yè)指數(shù)）的漲跌幅相對(duì)同期市場(chǎng)基準(zhǔn)指數(shù)的漲跌幅；類

別評(píng)

級(jí)說(shuō)

明股票投資評(píng)級(jí)買入相對(duì)強(qiáng)于市場(chǎng)表現(xiàn)20%以上；增持相對(duì)強(qiáng)于市場(chǎng)表現(xiàn)5%~20%；中性相對(duì)市場(chǎng)表現(xiàn)在-5%~+5%之間波動(dòng)；減持相對(duì)弱于市場(chǎng)表現(xiàn)5%以下。2.市場(chǎng)基準(zhǔn)指數(shù)的比較標(biāo)準(zhǔn)：A股市場(chǎng)以上證綜指或深證成指為基準(zhǔn)；香港市場(chǎng)以恒生指數(shù)為基準(zhǔn)；美國(guó)市場(chǎng)以標(biāo)普500或納