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

（以下内容从德邦证券《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》研报附件原文摘录）
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
双足机器人能够直接适配人类环境，但运动能力有待提升
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。
腿部构型影响双足机器人的运动性能
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。腿部构型设计准则：高总质心、低惯量、低质量、高刚性
设计总要求：提高双足机器人腿部高动态响应能力
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。
腿部构型设计准则：高总质心、低惯量、低质量、高刚性
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。