盡管人形機器人的概念源于模仿人類運動的目標(biāo)，但現(xiàn)有系統(tǒng)在運動優(yōu)雅性和效率上仍與人類存在差距。造成這一差距的關(guān)鍵原因在于當(dāng)前人形機器人在運動學(xué)、動力學(xué)和驅(qū)動特性方面與人類存在差異。本研究旨在通過設(shè)計與人類特征高度相似的優(yōu)化人形機器人來縮小這一差距。為此，我們構(gòu)建了詳細(xì)的驅(qū)動組件機電建模框架，并基于該模型對機器人驅(qū)動系統(tǒng)進行多目標(biāo)優(yōu)化（目標(biāo)函數(shù)基于前期研究成果）。這一過程不僅實現(xiàn)了高效能驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，還優(yōu)化了結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量與慣性分布，使其更接近人類。通過該設(shè)計流程開發(fā)的人形機器人米特拉（Mithra），初步測試表明其在類人運動學(xué)和動力學(xué)特性方面達(dá)到設(shè)計目標(biāo)，并具備爬樓梯、深蹲和奔跑等任務(wù)所需的驅(qū)動能力。

引言 

人類運動力學(xué)經(jīng)過數(shù)百萬年的進化，已能在復(fù)雜地形上實現(xiàn)穩(wěn)定、柔順且自適應(yīng)的運動。受此啟發(fā)，大多數(shù)腿式機器人通過模仿人類下肢結(jié)構(gòu)設(shè)計機械腿，以適應(yīng)人類環(huán)境并促進有效交互。近年來，人形機器人已被應(yīng)用于倉儲物流、軍事任務(wù)、救援行動和醫(yī)療輔助等領(lǐng)域。

在雙足機器人擬人化腿部設(shè)計中，需在靈活性、穩(wěn)定性和能效之間進行權(quán)衡?；贛cGeer被動步行機的Ranger和Denise實現(xiàn)了高能效運動，但犧牲了魯棒性和多任務(wù)能力。而Atlas和ASIMO等機器人雖能在真實環(huán)境中展現(xiàn)出色的運動能力，但其運輸成本顯著高于生物系統(tǒng)。MIT Cheetah、ATRIAS等機器人則嘗試通過高扭矩、可回驅(qū)的驅(qū)動系統(tǒng)平衡多任務(wù)能力與被動動力學(xué)特性。然而，這些機器人的腿部結(jié)構(gòu)與人類存在顯著差異，導(dǎo)致其無法完全復(fù)現(xiàn)人類運動的高階特征，如關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)和擺動相的腿部慣性利用。

本研究在前期提出的矢狀面擬人化腿部優(yōu)化框架基礎(chǔ)上，將其擴展至三維空間，并詳細(xì)闡述了該框架在新型人形機器人平臺Mithra開發(fā)中的應(yīng)用?；谌祟惼骄鶖?shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)行走/奔跑軌跡，定義了Mithra的尺寸、關(guān)節(jié)活動度、運動學(xué)及驅(qū)動性能指標(biāo)。通過仿真與實驗驗證了設(shè)計的有效性。

雙足機器人設(shè)計現(xiàn)狀

機械結(jié)構(gòu) 

腿部運動學(xué)結(jié)構(gòu)是人形機器人的核心特征。ASIMO、HUBO等機器人采用全擬人化下肢結(jié)構(gòu)，通常包含3自由度髖關(guān)節(jié)、1自由度膝關(guān)節(jié)和2自由度踝關(guān)節(jié)。這種六自由度模型能夠有效模擬人類下肢的主要運動模式，并便于逆運動學(xué)求解。

傳統(tǒng)串行關(guān)節(jié)設(shè)計（圖1a）雖簡化了機械與控制，但會增加腿部慣性，影響動態(tài)性能。為降低慣性，驅(qū)動單元常通過連桿或皮帶傳動實現(xiàn)離軸布置（圖1b）。WALK-MAN等機器人則采用曲柄連桿機構(gòu)（圖1c），通過機械增益降低驅(qū)動扭矩需求，提升腿部剛度。并聯(lián)機構(gòu)在踝關(guān)節(jié)的應(yīng)用可進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)緊湊性。

仿生設(shè)計通過雙關(guān)節(jié)驅(qū)動和張拉整體結(jié)構(gòu)模擬人類肌肉骨骼系統(tǒng)，可降低控制帶寬需求并提升能量效率。然而，多驅(qū)動協(xié)同控制的復(fù)雜性限制了其實際應(yīng)用。

驅(qū)動機制 

電動驅(qū)動因控制簡便、能量傳輸高效成為主流選擇。高減速比傳動系統(tǒng)可提升扭矩密度，但會影響環(huán)境適應(yīng)性和沖擊魯棒性。串聯(lián)彈性驅(qū)動（SEA）雖改善了力控制性能，但降低了驅(qū)動帶寬。

隨著無刷直流電機（BLDC）技術(shù)的發(fā)展，直接驅(qū)動概念逐漸普及。MIT Cheetah的準(zhǔn)直接驅(qū)動（QDD）系統(tǒng)通過關(guān)節(jié)力控制實現(xiàn)了動態(tài)運動，但存在電機體積大、高速扭矩受限等問題。液壓驅(qū)動雖具備高功率密度，但能效低、系統(tǒng)復(fù)雜，限制了其實際應(yīng)用。

米特拉概念設(shè)計 

基于上述分析，我們開發(fā)了具備以下目標(biāo)的人形機器人Mithra： 

- 體型參數(shù)：身高1.75m，體重75kg（接近成年男性平均值） 

- 運動能力：六自由度下肢結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)活動度與人類相當(dāng) 

- 動力學(xué)特性：肢體質(zhì)量與慣性分布接近人類 

- 任務(wù)能力：3m/s奔跑、爬樓梯、深蹲等 

- 結(jié)構(gòu)簡化：剛性軀干設(shè)計（無頭部及手臂） 

下肢采用標(biāo)準(zhǔn)六自由度配置（圖2b）：3自由度髖關(guān)節(jié)（偏航-滾轉(zhuǎn)-俯仰順序）、1自由度膝關(guān)節(jié)和2自由度踝關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)采用同軸驅(qū)動以簡化控制，膝踝關(guān)節(jié)通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)離軸驅(qū)動，以降低擺動相慣性。

設(shè)計優(yōu)化框架 

本研究將前期矢狀面優(yōu)化框架擴展至三維空間，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型： 

1. 最小化能耗：基于人類行走/奔跑軌跡計算電機能量消耗 

2. 最小化被動阻抗扭矩：以奔跑支撐相的未建模動力學(xué)為指標(biāo) 

3. 最小化步長時間：通過拉格朗日動力學(xué)模型評估快速恢復(fù)能力 

最終設(shè)計

機械結(jié)構(gòu) 

- 髖關(guān)節(jié)：三同軸驅(qū)動單元，通過球面關(guān)節(jié)實現(xiàn)三自由度運動 

- 膝關(guān)節(jié)：平行四邊形四連桿機構(gòu)，驅(qū)動單元位于大腿中部 

- 踝關(guān)節(jié)：空間并聯(lián)機構(gòu)，耦合兩個驅(qū)動單元實現(xiàn)屈伸與內(nèi)外翻運動 

- 足部：基于HuMod數(shù)據(jù)庫設(shè)計，集成應(yīng)變傳感器檢測地面接觸 

通信架構(gòu) 

采用1kHz實時控制系統(tǒng)，通過CAN總線與電機驅(qū)動器通信，EtherCAT連接微控制器單元（MCU）實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合。

驗證實驗與結(jié)果 

Mithra關(guān)節(jié)活動度與人類及其他機器人對比表明，其設(shè)計有效復(fù)現(xiàn)了人類下肢運動范圍。

與現(xiàn)有機器人相比，Mithra在關(guān)節(jié)扭矩和速度方面表現(xiàn)優(yōu)異，尤其是膝關(guān)節(jié)比扭矩達(dá)4.2 Nm/kg，滿足人類奔跑需求。

關(guān)節(jié)回驅(qū)扭矩僅為最大扭矩的1%，自由擺動實驗驗證了其高柔順性。

結(jié)論與展望 

本研究通過多目標(biāo)優(yōu)化框架實現(xiàn)了類人化人形機器人Mithra的設(shè)計，其機械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)在能效、動態(tài)性能和回驅(qū)性方面達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。未來工作將聚焦于步態(tài)控制算法開發(fā)，驗證其在復(fù)雜環(huán)境中的運動能力，并探索其在醫(yī)療機器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。