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

引言 

人類運動力學經過數百萬年的進化，已能在復雜地形上實現穩定、柔順且自適應的運動。受此啟發，大多數腿式機器人通過模仿人類下肢結構設計機械腿，以適應人類環境并促進有效交互。近年來，人形機器人已被應用于倉儲物流、軍事任務、救援行動和醫療輔助等領域。

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行權衡。基于McGeer被動步行機的Ranger和Denise實現了高能效運動，但犧牲了魯棒性和多任務能力。而Atlas和ASIMO等機器人雖能在真實環境中展現出色的運動能力，但其運輸成本顯著高于生物系統。MIT Cheetah、ATRIAS等機器人則嘗試通過高扭矩、可回驅的驅動系統平衡多任務能力與被動動力學特性。然而，這些機器人的腿部結構與人類存在顯著差異，導致其無法完全復現人類運動的高階特征，如關節協調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開發中的應用。基于人類平均數據和標準行走/奔跑軌跡，定義了Mithra的尺寸、關節活動度、運動學及驅動性能指標。通過仿真與實驗驗證了設計的有效性。

雙足機器人設計現狀

機械結構 

腿部運動學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自由度髖關節、1自由度膝關節和2自由度踝關節。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，并便于逆運動學求解。

傳統串行關節設計（圖1a）雖簡化了機械與控制，但會增加腿部慣性，影響動態性能。為降低慣性，驅動單元常通過連桿或皮帶傳動實現離軸布置（圖1b）。WALK-MAN等機器人則采用曲柄連桿機構（圖1c），通過機械增益降低驅動扭矩需求，提升腿部剛度。并聯機構在踝關節的應用可進一步優化結構緊湊性。

仿生設計通過雙關節驅動和張拉整體結構模擬人類肌肉骨骼系統，可降低控制帶寬需求并提升能量效率。然而，多驅動協同控制的復雜性限制了其實際應用。

驅動機制 

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

隨著無刷直流電機（BLDC）技術的發展，直接驅動概念逐漸普及。MIT Cheetah的準直接驅動（QDD）系統通過關節力控制實現了動態運動，但存在電機體積大、高速扭矩受限等問題。液壓驅動雖具備高功率密度，但能效低、系統復雜，限制了其實際應用。

米特拉概念設計 

基于上述分析，我們開發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） 

- 運動能力：六自由度下肢結構，關節活動度與人類相當 

- 動力學特性：肢體質量與慣性分布接近人類 

- 任務能力：3m/s奔跑、爬樓梯、深蹲等 

- 結構簡化：剛性軀干設計（無頭部及手臂） 

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

設計優化框架 

本研究將前期矢狀面優化框架擴展至三維空間，建立多目標優化模型： 

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為指標 

3. 最小化步長時間：通過拉格朗日動力學模型評估快速恢復能力 

最終設計

機械結構 

- 髖關節：三同軸驅動單元，通過球面關節實現三自由度運動 

- 膝關節：平行四邊形四連桿機構，驅動單元位于大腿中部 

- 踝關節：空間并聯機構，耦合兩個驅動單元實現屈伸與內外翻運動 

- 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實時控制系統，通過CAN總線與電機驅動器通信，EtherCAT連接微控制器單元（MCU）實現多傳感器數據融合。

驗證實驗與結果 

Mithra關節活動度與人類及其他機器人對比表明，其設計有效復現了人類下肢運動范圍。

與現有機器人相比，Mithra在關節扭矩和速度方面表現優異，尤其是膝關節比扭矩達4.2 Nm/kg，滿足人類奔跑需求。

關節回驅扭矩僅為最大扭矩的1%，自由擺動實驗驗證了其高柔順性。

結論與展望 

本研究通過多目標優化框架實現了類人化人形機器人Mithra的設計，其機械結構與驅動系統在能效、動態性能和回驅性方面達到預期目標。未來工作將聚焦于步態控制算法開發，驗證其在復雜環境中的運動能力，并探索其在醫療機器人領域的應用潛力。