机器人行业：双足人形机器人腿部设计原则与构型分类解析

证券研究报告|行业研究 2024年2月1日 双足人形机器人腿部设计原则与构型分类解析 证券分析师姓名：陆强易 资格编号：S0120523110001 邮箱：luqy3＠tebon.com.cn 研究助理 姓名：完颜尚文 邮箱：wanyansw＠tebon.com.cn 0 CONTENTS目录 腿部设计的重要性：影响双足机器人运动性能，仍有提升空间 腿部构型设计准则：高总质心、低惯量、低质量、高刚性 6自由度“人腿”方案：双足机器人最常见的腿部设定 创新腿方案：“鸟腿”和合成腿相较“人腿”存在独特优势 1 01 腿部设计的重要性： 影响双足机器人运动性能，仍有提升空间 2 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明。 双足机器人具有众多优势，应用场景广阔。众多优势包括：1）地面适应性好、能耗小、工作空间大、能够实现双足行走；2）能够直接适配人类环境，不需要为了适应机器人而进行改造；3）拥有类人的外形，更容易被人类接受。应用场景包括：面向恶劣条件、危险场景作业的服务特种 领域，3C、汽车等制造业重点领域，医疗、家政等民生领域。 由于技术限制，双足机器人腿部尚未达到人类骨骼肌肉的运动能力水平。目前，双足机器人还没有全面达到人类的运动和感知能力，因此还没有一款双足机器人能够真正走入人类生活。 图表：双足机器人拥有类人外形 资料来源：GrzegorzFichtetal.BipedalHumanoidHardwareDesign:aTechnologyReview，德邦研究所 图表：双足机器人地面适应性好，具有广泛的应用场景 资料来源：TeslaAIDay2022，youtube特斯拉官方账号，德邦研究所3 腿部设计包括腿部构型、关节执行器硬件设计和运动控制软件设计，三者共同影响机器人的运动性能。 腿部构型设计是双足机器人设计的关键一环，应与软件优化升级同步进行。控制软件可以一定程度上补偿机械结构的缺陷，因此机械结构在机器 人设计中常被忽视。但许多系统性能缺陷根源在于不良的机械结构。双足机器人没有全面达到人类的运动能力，是因为机器人的腿部构型和驱动 形式没有达到人类骨骼肌肉的运动能力水平，因此控制软件与机械结构、机械部件的优化升级应同步进行。 图表：腿部构型设计影响双足机器人的运动性能 机器人设计 腿部设计 软件设计 机器人运动性能 控制软件 驱动器 硬件设计 机械结构 腿部运动性能 运动控制 关节执行器 腿部构型 资料来源：丁宏钰《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》，KenjiHashimotoMechanicsofhumanoidrobot，德邦研究所绘制4 02 腿部构型设计准则： 高总质心、低惯量、低质量、高刚性 5 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明。 双足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。人类设计双足机器人的目的是为人类提供服务，把人类从简单重复或危险繁重的工作中解脱出来，对双足机器人提出了以下要求：1）适应人类生存的环境如不平整路面、楼梯、斜坡路等；2）能够完成行走、蹲起、爬起等复 杂动作。适应复杂路况和执行复杂动作需要机器人腿部具有高的动态响应能力。 图表：双足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 资料来源：深圳商报，河马机器人官网，凤凰网，本田中国官网，澎湃新闻，德邦研究所6 提高机器人总质心。与人类不同，传统双足机器人质量的较大部分集中在腿部，且电机和减速器占了机器人整体质量的40%左右，导致机器人的总质心处于机身较低位置。在机器人总高和质量不变的情况下，机器人横向摆动随着总质心高度的增加而减少，提高总质心进而减少横向摆动以提高机器人在较高行走速度下的稳定性。 降低腿部惯量和质量。一方面，降低腿部惯量和质量有利于提高机器人的行走速度和行走稳定性；另一方面，降低腿部能量消耗。 提高腿部刚性。如果机器人腿部刚性不足，就会导致机器人行走过程中足部相对于规划过早接触地面，影响机器人高速行走稳定性；高刚性腿部设计的模型误差更低；高刚性腿不容易在动态行走过程中发生变形。 提高交互安全性 执行器设计 高动态性能 腿部设计 腿部构型设计 提高刚性 降低惯量、质量 提高总质心 图表：腿部构型设计要把握高总质心、低惯量、低质量、高刚性的准则 资料来源：丁宏钰《双足机器人腿部及其驱动器的设计理论与关键技术研究》，德邦研究所绘制 图表：与人体不同，传统双足机器人质心一般在腿部或盆骨处 资料来源：DonghyunKimetal.DynamicLocomotionForPassive-AnkleBiped7RobotsAndHumanoidsUsingWhole-BodyLocomotionControl，德邦研究所 03 6自由度“人腿”方案： 双足机器人最常见的腿部设定 8 请务必阅读正文之后的信息披露及法律声明。 双足机器人腿部构型分类概览 按生物学模式，双足机器人腿部设计可分为“人腿”、“鸟腿”和合成腿，大多数双足机器人采用人腿方案。“人腿”和“鸟腿”均为生物启发式腿部构型方案，即腿部构型符合人腿构型或鸟腿构型。绝大多数腿部构型采用人腿方案（ASIMO、HRP系列、WALKMAN、Optimus等），少 数双足机器人采用鸟腿（Cassie和Digit）和合成腿（Slider和Leo）。 按选用的机构类型将“人腿”构型进一步分为串联、并联和串并联混合三种类型。人腿方案差异体现在基于不同位置关节特点或腿部整体的考虑， 选用不同的机构对关节进行排布。绝大多数双足机器人基于髋关节、膝关节和踝关节各自的特点分别进行机构的设计，少数基于腿部整体对关节进行排布（Gimetal.,2018）。 图表：双足机器人腿部构型分类概览 按生物模式 “人腿” “鸟腿” Cassie Digit 按机构类型 双足机器人 腿部构型 串联 并联 串并联混合 Optimus WALKMAN HRP系列 ASIMO 合成腿 SliderLeo 资料来源：TadeuszMikolajczyketal.RecentAdvancesinBipedalWalkingRobots：ReviewofGait,Drive,SensorsandControlSystems，Grzegorz9 Fichtetal.BipedalHumanoidHardwareDesign:aTechnologyReview，德邦研究所绘制 人体/机器人机构能够独立运动的关节数目，称为运动自由度，简称自由度（DegreeofFreedom/DOF）。机器人的自由度越多，运动越灵活、通用性越好，但结构更加复杂，对机器人设计和控制要求更高。机器人机构自由度的选择需要平衡运动性能和机构的复杂性。 人体下半身共有8个自由度，其中7个为主动自由度：1）髋关节。三个自由度（髋关节外展-内收、屈曲-伸展、内-外旋转）；2）膝关节。两个自由度（膝关节屈曲-伸展、小腿内-外旋转）；3）踝关节。两个自由度（屈曲-伸展、旋旋-仰卧）。此外，还有1个被动自由度：膝关节的线位移。 图表：人体下半身共有8个自由度，其中7个为主动自由度 资料来源：SKHasanetal.8Degreesoffreedomhumanlowerextremitykinematicanddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicaltherapy，德邦研究所 图表：人体下肢骨骼与髋关节球窝结构 资料来源：SKHasanetal.8Degreesoffreedomhumanlowerextremitykinematicanddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedph1ys0icaltherapy，德邦研究所 双足机器人腿部设计常选用旋转关节，一个关节仅有一个自由度。运动学设计中常见的3种关节类型分别为直线（prismatic）、旋转（revolute）和球形（spherical）关节：线性或棱柱形关节可以沿单个轴进行平移或滑动运动；旋转关节围绕一个自由度的点运动；球形关节可以围绕一个点在多个自由度上移动，但其控制较为复杂，通常用3个旋转关节代替。若无特别说明，本报告中的关节一般指旋转关节。 双足机器人单腿自由度通常为6个。人体单腿自由度为8个，对于机器人而言，单腿6自由度即可实现与人腿近似的形态和功能，大多数双足机器 人采用6自由度人腿方案。其中髋关节通常有3个自由度，分别控制关节滚动、俯仰、偏摆运动；膝关节只有1个俯仰自由度；踝关节有滚动、俯仰2个自由度。 图表：大多数双足机器人采用6自由度人腿方案 关节部位 人体自由度 机器人自由度 机器人关节运动 髋关节 3 3 滚动、俯仰、偏摆 膝关节 3 1 俯仰 踝关节 2 2 滚动、俯仰 资料来源：SKHasanetal.8Degreesoffreedomhumanlowerextremitykinematicanddynamicmodeldevelopmentandcontrolforexoskeletonrobotbasedphysicaltherapy，GrzegorzFichtetal.BipedalHumanoidHardwareDesign:aTechnologyReview，石照耀《双足机器人腿部新构型设计与试验研究》，德邦研究所 图表：大多数双足机器人腿部构造基于人腿设计 资料来源：SebastianLohmeieretal.HumanoidrobotLOLA，Asimotechnicalinformation，德邦研究所11 双足机器人腿部设计可采用三种机构：串联、并联和串并联混合机构，以此作为人腿整体构型的分类依据。 1）串联机构（a、b）：由多个连杆通过运动副（关节/铰链）以串联的形式连接成首尾不封闭的机构，每个关节由其驱动器独立驱动；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。 2）并联机构（c、d）：多个连杆首尾连接形成封闭的机构；最大的优势在于可以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。 3）串并联混合机构（e）：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。 性能 串联机构 并联机构 工作空间 大 小 定位精度 积累/低 平均/高 惯量 大 小 刚度 低 高 负载 小 大 结构/控制复杂程度 简单 困难 图表：串联结构简单、好控制；并联机构利于减小腿部惯量、提高刚度 资料来源：MitsuharuMorisawaetal.AComparisonStudybetweenParallelandSerialLinkedStructuresinBipedRobotSystem，KenjiHashimotoMechanicsofhumanoidrobot，德邦研究所 图表：双足机器人腿部设计可采用串联、并联和串并联混合三种机构 资料来源：GrzegorzFichtetal.BipedalHumanoidHardwareDesign:aTechnologyReview，德邦研究所 12 目前并联机构广泛用于机器人腿部设计中，串并联混合腿部构型成为主流方案。一方面，采用并联机构的腿部构型能够实现低惯量、高刚度、高质心、高负载腿的设计；另一方面机器人运动控制理论和技术的发展使得并联机构的构建和控制具有可行性。丁宏钰《双足机器人腿部及其驱动 器的设计理论与关键技术研究》表明，自2013年后有更多的双足机器人使用并联驱动装置，并联驱动装置在总自由度中占比也在提高。 图表：2013年后，并联驱动装置在总自由