双足人形机器人如何设计腿部？
芝能科技出品
双足人形机器人是一种能够模仿人类行走的机器人，具有广泛的应用前景，例如在危险或复杂的环境中执行任务，或者在日常生活中提供服务。双足人形机器人的腿部设计是其性能的关键组成部分，涉及到腿部构型、关节执行器硬件和运动控制软件的设计。在这一复杂的系统工程中，腿部设计直接影响机器人的适应性、能效和稳定性。本文将介绍双足人形机器人腿部设计的原则、分类和发展趋势，以及一些典型的实例。
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腿部设计的原则
双足人形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。高动态响应能力意味着机器人能够快速、灵活、准确地执行各种复杂的运动，如行走、跑跳、蹲起、爬起等。为了实现高动态响应能力，腿部设计需要满足以下几个准则：
●?高总质心：提高机器人的总质心，减少横向摆动，以提高机器人在较高行走速度下的稳定性。
●?低惯量：降低腿部的惯量，减少运动过程中的阻力，以提高机器人的行走速度和行走稳定性。
●?低质量：降低腿部的质量，减少能量消耗，以提高机器人的能效和续航能力。
●?高刚性：提高腿部的刚性，增加运动的精度和反馈，以提高机器人的控制性能和适应性。
02
腿部设计的分类
按照生物学模式，双足人形机器人腿部设计可分为“人腿”、“鸟腿”和合成腿，其中大多数双足机器人采用“人腿”方案，受到人体生物学结构的启发。尽管与人类运动模式存在差异，膝盖弯曲的设计有助于确保机器人的姿态非奇异，优化控制性能，并在行走过程中保持稳定的步伐。
“人腿”构型的自由度分布为髋关节3DOF、膝关节1DOF、踝关节2DOF，模拟人类下半身运动自由度。这样的设计能够近似人类的形态和功能，使机器人在运动时更加灵活、具有更好的通用性。
按照选用的机构类型，将“人腿”构型进一步分为串联、并联和串并联混合三种类型。这些类型的区别在于驱动器的位置和传动方式的不同，影响机器人的惯量、刚度、负载能力等性能指标。
●?串联机构：由多个连杆通过运动副连接成首尾不封闭的机构，每个关节由其驱动器独立驱动。这种机构结构简单、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。
●?并联机构：由多个连杆首尾连接形成封闭的机构，多个关节由共同的驱动器驱动。这种机构能够将腿部执行器上移，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。
●?串并联混合机构：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。
实际设计人腿的时候，要注意！
●?髋关节机构设计：髋关节在行走和站立中起关键作用。为了模拟其自然运动，可采用弹性体三自由度外骨骼机器人髋关节结构，基于人机动力学的设计，通过平行结构提高行走自由度，需考虑人机工程学和人体步态运动规律。
●?膝关节机构设计：膝关节在行走和跑步中承担支撑和缓冲作用。四连杆机构因稳定性被广泛采用，能较好模拟膝关节非定轴转动过程，适应不同运动需求的设计。
●?踝关节机构设计：踝关节在步行中负责复杂运动。基于凸轮机构的设计旨在完成主要运动任务。
03
腿部设计的发展趋势
目前，双足人形机器人的腿部设计已经取得了一定的进展，但仍面临一些挑战。未来的发展趋势可能包括：
●?优化腿部构型，提高机器人的动态响应能力。目前，双足机器人的腿部构型还没有达到人类骨骼肌肉的运动能力水平，因此需要在腿部构型、硬件和软件方面不断优化，以提高机器人的运动性能和适应性。
●?引入新的机构和材料，提高机器人的能效和稳定性。目前，双足机器人的能耗和稳定性还有待提高，因此需要引入新的机构和材料，如弹性驱动、柔性关节、智能材料等，以提高机器人的能效和稳定性。
●?拓展应用领域，提高机器人的实用性和普及性。目前，双足机器人的应用领域还比较有限，因此需要拓展应用领域，如在恶劣条件、危险场景作业的服务特种领域，3C、汽车等制造业，以及医疗、家政等民生领域，以提高机器人的实用性和普及性。
小结
双足人形机器人的腿部设计是一个综合性的工程，需要在构型、硬件和软件方面精心设计，以提高机器人的性能和适应性。目前，双足机器人的腿部设计已经取得了一定的进展，但仍面临一些挑战。未来的发展方向包括优化腿部构型，提高机器人的动态响应能力，进一步拓展其应用领域。
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