米特拉人形機器人的設計與制造：具有擬人屬性的高性能驅動(dòng)系統

盡管人形機器人的概念源于模仿人類(lèi)運動(dòng)的目標，但現有系統在運動(dòng)優(yōu)雅性和效率上仍與人類(lèi)存在差距。造成這一差距的關(guān)鍵原因在于當前人形機器人在運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和驅動(dòng)特性方面與人類(lèi)存在差異。本研究旨在通過(guò)設計與人類(lèi)特征高度相似的優(yōu)化人形機器人來(lái)縮小這一差距。為此，我們構建了詳細的驅動(dòng)組件機電建?？蚣?，并基于該模型對機器人驅動(dòng)系統進(jìn)行多目標優(yōu)化（目標函數基于前期研究成果）。這一過(guò)程不僅實(shí)現了高效能驅動(dòng)系統的設計，還優(yōu)化了結構部件的質(zhì)量與慣性分布，使其更接近人類(lèi)。通過(guò)該設計流程開(kāi)發(fā)的人形機器人米特拉（Mithra），初步測試表明其在類(lèi)人運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性方面達到設計目標，并具備爬樓梯、深蹲和奔跑等任務(wù)所需的驅動(dòng)能力。

引言 

人類(lèi)運動(dòng)力學(xué)經(jīng)過(guò)數百萬(wàn)年的進(jìn)化，已能在復雜地形上實(shí)現穩定、柔順且自適應的運動(dòng)。受此啟發(fā)，大多數腿式機器人通過(guò)模仿人類(lèi)下肢結構設計機械腿，以適應人類(lèi)環(huán)境并促進(jìn)有效交互。近年來(lái)，人形機器人已被應用于倉儲物流、軍事任務(wù)、救援行動(dòng)和醫療輔助等領(lǐng)域。

在雙足機器人擬人化腿部設計中，需在靈活性、穩定性和能效之間進(jìn)行權衡?；贛cGeer被動(dòng)步行機的Ranger和Denise實(shí)現了高能效運動(dòng)，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(shí)環(huán)境中展現出色的運動(dòng)能力，但其運輸成本顯著(zhù)高于生物系統。MIT Cheetah、ATRIAS等機器人則嘗試通過(guò)高扭矩、可回驅的驅動(dòng)系統平衡多任務(wù)能力與被動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性。然而，這些機器人的腿部結構與人類(lèi)存在顯著(zhù)差異，導致其無(wú)法完全復現人類(lèi)運動(dòng)的高階特征，如關(guān)節協(xié)調和擺動(dòng)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?jì)?yōu)化框架基礎上，將其擴展至三維空間，并詳細闡述了該框架在新型人形機器人平臺Mithra開(kāi)發(fā)中的應用?；谌祟?lèi)平均數據和標準行走/奔跑軌跡，定義了Mithra的尺寸、關(guān)節活動(dòng)度、運動(dòng)學(xué)及驅動(dòng)性能指標。通過(guò)仿真與實(shí)驗驗證了設計的有效性。

雙足機器人設計現狀

機械結構 

腿部運動(dòng)學(xué)結構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構，通常包含3自由度髖關(guān)節、1自由度膝關(guān)節和2自由度踝關(guān)節。這種六自由度模型能夠有效模擬人類(lèi)下肢的主要運動(dòng)模式，并便于逆運動(dòng)學(xué)求解。

傳統串行關(guān)節設計（圖1a）雖簡(jiǎn)化了機械與控制，但會(huì )增加腿部慣性，影響動(dòng)態(tài)性能。為降低慣性，驅動(dòng)單元常通過(guò)連桿或皮帶傳動(dòng)實(shí)現離軸布置（圖1b）。WALK-MAN等機器人則采用曲柄連桿機構（圖1c），通過(guò)機械增益降低驅動(dòng)扭矩需求，提升腿部剛度。并聯(lián)機構在踝關(guān)節的應用可進(jìn)一步優(yōu)化結構緊湊性。

仿生設計通過(guò)雙關(guān)節驅動(dòng)和張拉整體結構模擬人類(lèi)肌肉骨骼系統，可降低控制帶寬需求并提升能量效率。然而，多驅動(dòng)協(xié)同控制的復雜性限制了其實(shí)際應用。

驅動(dòng)機制 

電動(dòng)驅動(dòng)因控制簡(jiǎn)便、能量傳輸高效成為主流選擇。高減速比傳動(dòng)系統可提升扭矩密度，但會(huì )影響環(huán)境適應性和沖擊魯棒性。串聯(lián)彈性驅動(dòng)（SEA）雖改善了力控制性能，但降低了驅動(dòng)帶寬。

隨著(zhù)無(wú)刷直流電機（BLDC）技術(shù)的發(fā)展，直接驅動(dòng)概念逐漸普及。MIT Cheetah的準直接驅動(dòng)（QDD）系統通過(guò)關(guān)節力控制實(shí)現了動(dòng)態(tài)運動(dòng)，但存在電機體積大、高速扭矩受限等問(wèn)題。液壓驅動(dòng)雖具備高功率密度，但能效低、系統復雜，限制了其實(shí)際應用。

米特拉概念設計 

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

- 體型參數：身高1.75m，體重75kg（接近成年男性平均值） 

- 運動(dòng)能力：六自由度下肢結構，關(guān)節活動(dòng)度與人類(lèi)相當 

- 動(dòng)力學(xué)特性：肢體質(zhì)量與慣性分布接近人類(lèi) 

- 任務(wù)能力：3m/s奔跑、爬樓梯、深蹲等 

- 結構簡(jiǎn)化：剛性軀干設計（無(wú)頭部及手臂） 

下肢采用標準六自由度配置（圖2b）：3自由度髖關(guān)節（偏航-滾轉-俯仰順序）、1自由度膝關(guān)節和2自由度踝關(guān)節。髖關(guān)節采用同軸驅動(dòng)以簡(jiǎn)化控制，膝踝關(guān)節通過(guò)連桿機構實(shí)現離軸驅動(dòng)，以降低擺動(dòng)相慣性。

設計優(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，建立多目標優(yōu)化模型： 

1. 最小化能耗：基于人類(lèi)行走/奔跑軌跡計算電機能量消耗 

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

3. 最小化步長(cháng)時(shí)間：通過(guò)拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型評估快速恢復能力 

最終設計

機械結構 

- 髖關(guān)節：三同軸驅動(dòng)單元，通過(guò)球面關(guān)節實(shí)現三自由度運動(dòng) 

- 膝關(guān)節：平行四邊形四連桿機構，驅動(dòng)單元位于大腿中部 

- 踝關(guān)節：空間并聯(lián)機構，耦合兩個(gè)驅動(dòng)單元實(shí)現屈伸與內外翻運動(dòng) 

- 足部：基于HuMod數據庫設計，集成應變傳感器檢測地面接觸 

通信架構 

采用1kHz實(shí)時(shí)控制系統，通過(guò)CAN總線(xiàn)與電機驅動(dòng)器通信，EtherCAT連接微控制器單元（MCU）實(shí)現多傳感器數據融合。

驗證實(shí)驗與結果 

Mithra關(guān)節活動(dòng)度與人類(lèi)及其他機器人對比表明，其設計有效復現了人類(lèi)下肢運動(dòng)范圍。

與現有機器人相比，Mithra在關(guān)節扭矩和速度方面表現優(yōu)異，尤其是膝關(guān)節比扭矩達4.2 Nm/kg，滿(mǎn)足人類(lèi)奔跑需求。

關(guān)節回驅扭矩僅為最大扭矩的1%，自由擺動(dòng)實(shí)驗驗證了其高柔順性。

結論與展望 

本研究通過(guò)多目標優(yōu)化框架實(shí)現了類(lèi)人化人形機器人Mithra的設計，其機械結構與驅動(dòng)系統在能效、動(dòng)態(tài)性能和回驅性方面達到預期目標。未來(lái)工作將聚焦于步態(tài)控制算法開(kāi)發(fā)，驗證其在復雜環(huán)境中的運動(dòng)能力，并探索其在醫療機器人領(lǐng)域的應用潛力。