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0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 研 究助 理姓 名：完 颜尚文邮箱：wanyansw 证券研究报告|行业研究2024 年2 月1 日 1CONTENTS 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 ZXAZzQtOtQqRpRnOnQoRoP9PcMbRsQmMpNtPlOnNnPkPqQnPaQpPzQNZsPrPvPmRpM2 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01 3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：Tesla AI Day 2022，youtube 特斯拉官方账号，德邦研究所双 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。图表：双足机器人拥有类人外形资料来 源：Grzegorz Ficht et al.Bipedal Humanoid Hardware Design:aTechnologyReview，德 邦研究所 4 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，Kenji HashimotoMechanicsofhumanoidrobot，德 邦研究所绘制机械 结构驱动 器控制 软件机器 人设 计机器 人运动 性能腿部 构型关节 执行 器运动 控制腿部 设计腿部运动 性能硬件 设计软件 设计腿 部 构 型 影响 双 足 机 器人 的 运 动 性能 5 02腿部构型设计准则：高总质心、低惯量、低质量、高刚性 6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 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。设 计 总 要 求：提 高 双 足机 器 人 腿 部高 动 态 响 应能 力 7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。提高总质心降低惯量、质量提高刚性腿部构型设计提高交互安全性执行器设计腿部设计高动态性能图表：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：Donghyun Kim et al.Dynamic Locomotion For Passive-Ankle BipedRobotsAndHumanoidsUsingWhole-BodyLocomotionControl，德邦研究所 8 036 自 由 度“人 腿”方 案：双足机器人最常见的腿部设定 9图表：双足机器人腿部构型分类概览资料来源：Tadeusz Mikolajczyk et al.Recent Advances in Bipedal Walking Robots：Review of Gait,Drive,Sensors and Control Systems，GrzegorzFicht et al.BipedalHumanoidHardwareDesign:aTechnologyReview，德 邦研究所绘制 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（Gimet al.,2018）。“人 腿”“鸟 腿”合成 腿Cassie DigitSlider Leo双足 机器 人腿部 构型串联并联串并 联混 合按生 物模 式双 足 机 器 人腿 部 构 型 分类 概 览按机 构类 型ASIMO HRP系列 WALKMAN Optimus 10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：SK Hasan et al.8 Degrees of freedom human lower extremity kinematicand dynamic model development and control for exoskeleton robot based physicaltherapy，德邦研究所 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（Degree of Freedom/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。“人 腿”自 由 度 分布：髋 关 节3DOF+膝关节1DOF+踝关节2DOF图表：人体下肢骨骼与髋关节球窝结构资料 来源：SK Hasan et al.8 Degrees of freedom human lower extremity kinematicand dynamic model development and control for exoskeleton robot based physicaltherapy，德邦研究所 11图 表：大多数双足机器人采用6 自 由度人腿方案资料 来源：SK Hasan et al.8 Degrees of freedom human lower extremity kinematicand dynamic model development and control for exoskeleton robot based physicaltherapy，Grzegorz Ficht et al.Bipedal Humanoid Hardware Design:a TechnologyReview，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 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。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、俯仰图 表：大多数双足机器人腿部构造基于人腿设计资料 来源：Sebastian Lohmeier et al.Humanoid robot LOLA，Asimo technicalinformation，德邦研究所“人 腿”自 由 度 分布：髋 关 节3DOF+膝关节1DOF+踝关节2DOF 12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：Grzegorz Ficht et al.Bipedal Humanoid Hardware Design:a TechnologyReview，德邦 研究所图表：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：Mitsuharu Morisawa et al.A Comparison Study between Parallel andSerial Linked Structures in Biped Robot System，Kenji Hashimoto Mechanics ofhumanoidrobot，德邦 研究所“人 腿”构型 分 为 串、并 联 及 串 并联 混 合 三 种类 型 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 13图表：目前串并联混合方案是腿部构型设计的主流方案资料来源：河马机器人，Tesla AI Day2022，丁宏钰双足机器人腿部及驱动器的设计理 论 与 关键技术研究 等文献，德邦研究所目 前 串 并 联混 合 方 案 是“人 腿”构型 设 计 的 主流 方 案 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。型号DRC-Hubo+WL-16 ASIMO LOLA RH5 WABIAN Optimus机构/公司KAIST早稻田大学本田慕尼黑工 业大学德国人工 智能研究中 心（DFKI）NASA 特斯拉国家 韩国 日本 日本 德国 德国 美国 美国时间 2015 年 2003 年 2000年 2006年 2006 年 2022年腿部构型 串联 并联 串并联混合 串并联混合 串并联混合 串并联混合 串并联混合髋关节 串联 并联 串联 串联 串联 串联 串并联混合膝关节 串联 并联 并联 并联 并联 串联 并联踝关节 串联 并联 并联 并联 并联 并联 并联关节执行器旋转 直线 旋转 旋转+直线 旋转+直线 旋转+直线 旋转+直线图 表：2013 年 后，并联驱动装置在总自由度中占比在提高资料来源：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 14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：F.Negrello et al.WALK-MAN Humanoid Lower body DesignOptimization for EnhancedPhysicalPerformance，德邦研究所图表：串联构型的髋关节：各方案差异体现在髋关节三个自由度的排布顺序上资料来 源：F.Negrello et al.WALK-MAN Humanoid Lower body DesignOptimization for EnhancedPhysicalPerformance，德邦研究所髋 关 节、膝 关 节 和 踝 关 节 的 功 能、位 置 不 同，采 用 不 同 的 机 构 髋 关 节 常用串联 机构或串 并联混 合机构。髋关节作 为腿部的 基座需要 承受较大 负载、且 有较大的 转动角度/工 作空间。串 联机构：结构简单，作为腿 部基座，其重 量和惯 量允许 稍微较 大。各 方案差 异体现 在髋关 节三个 自由度 的排布 顺序上。最常 用的 方 案是 偏 摆-滚动-俯仰（Yaw-Roll-Pitch/Y-R-P）,例如：HRP-2,Valkyrie,Hubo等均采用该方案，可最大限度减少滚动 和俯仰 关节处的惯量（F.Negrello et al.的研究表明，R-Y-P构型中俯仰关节作为运动链的最后 一个关节，相比于P-R-Y 减少16%惯量），但 无 法 同 时实 现 较 大 的 工 作 空 间 和 较小的 尺 寸。WALKMAN采用R-Y-P方案，略微增加 滚动关节 的惯量，实现偏摆 关节惯量 大幅下降。髋关 节类 型 双足 机器 人型 号Y-R-P HRP-2,Valkyrie,HUBOR-Y-P WALKMANP-R-Y COMANR-P-Y TORO 15图 表：RH5 采 用偏摆和滚动关节串联+曲 柄连杆机构（1-RRPR）驱动俯仰关节资料来源：Julian E er et al.Design analysis and control of the series-parallelhybridRH5 humanoidrobot，德邦 研究所髋 关 节、膝 关 节 和 踝 关 节 的 功 能、位 置 不 同，采 用 不 同 的 机 构图 表：WL-16（2006）等早期的双足机器人有采用并联髋关节方案资料 来 源：Yusuke Sugahara et al.WL-16RII:Prototype of Biped WalkingWheelchair，德邦研究所 串 并联 混合 机构：该 方案在减 小惯 量的 同时，能 够实现较 大的 工作 空间。RHP2 采用 俯仰 和滚 动关 节并 联+单独 的偏 摆关 节的 方案，偏摆关 节的 间隙 会略 微影响 整个 腿部 的定位 精度，俯仰 关节 和滚 动关节 由两 个线性 执行 器共 同控制。RH5 采用 偏摆 和滚动 关节 串联+曲 柄连 杆机构（1-RRPR）驱动 俯仰 关节，引入了 被动关节。并 联 机 构：仅 采 用 并 联 机 构 方 案 的 设 计 很 少，因 该 方 案 髋 关 节 的 运 动 范 围 受 限。WL-16（2006）、ROBIAN（2002）、LISA（2005）等 早 期 的双足 机器人有 采用 并联 方案。16图 表：ASIMO：旋转执行器+四 连杆机构，LOLA：线 性驱动器+曲 柄连杆机构资料来源：丁宏钰 双 足 机 器 人 腿 部 及 驱 动 器 的 设 计 理 论 与 关 键 技 术 研 究，LegMechanismofLOLA，德邦研究所图表：通常将膝关节电机上移到大腿，通过连杆机构将动力传输到膝关节位置资料来 源：河 马 机 器 人，丁 宏 钰 双 足 机 器 人 腿 部 及 驱 动 器 的 设 计 理 论 与 关 键 技术研究等文献，德邦研究所髋 关 节、膝 关 节 和 踝 关 节 的 功 能、位 置 不 同，采 用 不 同 的 机 构 膝 关 节 采 用 旋 转执 行 器 或直线 执 行 器 驱 动，通 常 将 膝关节 电 机 上 移 到 大 腿，通 过连杆 机 构 将 动力 传 输 到膝 关 节位 置。在 腿部 弯 曲 时，膝 关节 需 要承受很大负载，要 求 较 大的 输 出 转 矩，但 是较 大 转 矩的电 机 会 增 大 腿 部 体积、重量和 惯 量，大减 速 比 的减 速 器输 出 速 度 降低、减 少关 节 的反 驱 动能力。常 见 的解 决办 法：（1）改进 关 节电 机：当前 双足 机器人 多 采用 高输 出的 无框 电机，如WALK-MAN、COMAN 等；（2）增加 传动 装置：各 机 器人方 案 采 用 的 传 动 方 式 存 在 差 异。如ASIMO 将 膝 关 节 电 机 布 置 在 大 腿 中 部，通 过 四 连 杆 机 构 把 动 力 传 递 到 膝 关 节 位 置；LOLA 和RH5采用具有线性驱动 器的曲柄 连杆机构 实现；Kohei Tomishiro et al.Design of Robot Leg with Variable Reduction Ratio Crossed Four-bar Linkage Mechanism中模 仿动物的 十字韧带 设计了交 叉四连杆 机构用于 膝关节，提高了足 式机器人 的跳跃高 度。型号 推出时间 执行器类 型 膝关节电 机位置 传动机构ASIMO 2000 年 旋转执行 器 上移到大 腿中部 四连杆机 构Coman 2012 年 旋转执行 器 膝关节位 置 DRC-Hubo+2015 年 旋转执行 器 膝关节位 置 LOLA 2006 年 线性执行 器 靠近髋关 节 曲柄连杆 机构Optimus 2022 年 线性执行 器 上移到大 腿 四连杆机 构RH5 线性执行 器 上移到大 腿 曲柄连杆 机构WALK-MAN 2015 年 旋转执行 器 靠近髋关 节 四连杆机 构WL-16 2003 年 线性执行 器 17图表：踝关节两个自由度常采用并联机构资料来源：河 马 机 器 人，IEEE，丁宏钰 双 足 机 器 人 腿 部 及 驱 动 器 的 设 计 理 论 与 关键技术研究等文献，德邦 研究所图 表：LOLA 和Valkyrie 分 别 通 过丝杠、连杆方式实现踝关节并联机构资料 来源：丁宏 钰 双足机 器人腿 部及驱动器的 设计理论与关键技 术研究，LegMechanismofLOLA，德 邦 研究所髋 关 节、膝 关 节 和 踝 关 节 的 功 能、位 置 不 同，采 用 不 同 的 机 构 踝 关 节 两 个 自 由 度 常 采 用 并 联 机 构。相 比 于 髋 关 节 和 膝 关 节，踝 关 节 采 用 并 联 构 型 的 优 势 更 大，具 体 体 现 在：（1）并 联 机 构 的 采 用 增 大 踝 关 节的 刚 度，增 强 直 立 状 态 的 稳 定 性 且 不 需 太 高 的 扭 矩 输 出。（2）通 过 将 执 行 器、减 速 器 等 重 量 大 的 部 件 上 移 到 小 腿 或 大 腿 处，可 以 实 现 低 惯 量 腿的设计。各方 案 具体 实现 存在 差 异，通常 以连 杆（ASIMO、TORO、Valkyrie）或 丝杠 方 式（LOLA、RH5、Optimus）实现。型号 推出时间 机构类型 执行器类 型 踝关节电 机位置 传动装置ASIMO 2000 年 并联 旋转执行 器上移到膝 关节中心同步带、连杆DURUS 并联（两 个电机和减速器 交错布置）旋转执行 器 DRC-Hubo+2015 年 串联 旋转执行 器 踝关节处 LOLA 2006 年并联（2-PSU+1U）线性执行 器 上移到大 腿同步带、滚柱丝杠Optimus 2022 年 并联 线性执行 器 上移到小 腿 滚柱丝杠RH5 并联（2-SPRR+U）线性执行 器 丝杠TORO 2012 年 并联 旋转执行 器 上移到膝 关节下 连杆Valkyrie 2013 年 并联 线性执行 器 连杆WL-16 2003 年 并联 线性执行 器 18 04创新腿方案：“鸟腿”和合成腿相较“人腿”具备自身优势 19“鸟 腿”低耗 能、高 性能、易 控 制、高 便 利 鸟 类 和 人类 在 行走 过 程中 姿态 不 同。（1）行走 中，人抬 脚 曲膝，但是 脚 和脚 趾始终 保 持向 前；（2）而对 于鸟 类，腿 和 脚关 节 的机 械耦合 使 鸟在摆 腿 中 会 把脚向 后折叠，使得像 鸵鸟（有 的体重超 过100kg，奔跑速 度可以达 到55km/h）一样的大 型鸟可以 快速奔跑、不费力 地保持直 立状态。鸟类 的腿 部控 制由 其神 经系 统和 机械 构造 共同 完成。Monica Daley et al.BirdBot is energy-efficient thanks to nature as a model 研 究结 果表 明，鸟 类腿部 对障碍 物的反 应速度 超过神 经系统 发挥作 用的速 度，其 独特的 多关节 肌肉-肌 腱结构 和脚步 运动方 式在腿 部控制 中发挥 作用，因此大 型鸟可以 实现双足 稳定、快速、低耗 能奔跑。图表：鸟类和人类的腿部构型存在差异，在行走过程中呈现不同的姿态资料来 源：Anick Abourachid et al.TheNaturalBipeds,BirdsandHumans:An Inspirationfor BipedalRobots，德邦研究所 20“鸟 腿”低耗 能、高 性能、易 控 制、高 便 利 基于 鸟类步态 分析设计 出的“鸟腿”：Badri-Spr witz et al.在 基于鸟类 的步态分 析设计 出了BirdBot，单腿2DOF，其 中髋关节1DOF 负 责 前后摆腿，另外1DOF 负 责 膝 盖弯曲（摆 腿阶 段）。优 势体 现在：（1）通过 纯机 械方 法实现 双足 机器 人步 态切 换，在站 立过 程、站立 和摆 腿动 作切 换中无 需 耗 能，节能、承 载 力 好、可 实 现 远 距 离 行 走；（2）主 动 关 节 数 目 少，腿 部 控 制 简 单、动 态 响 应 速 度 快，减 少 对 信 号 传 输 速 度 和 传 感 器 要 求。基于运动性能优化设计出的伪“鸟腿”：Agility Robotics（迅捷机器人）研发的Cassie 和Digit 采用伪“鸟腿”，或称“反关节”设计，单腿5DOF。该 构 型 最 大 的 好处在 于 较 优的 移 动性 能、可 在复 杂 地 形上 移 动且 双 腿可 折叠 便 于 工厂 工 作及 储 存。智元 机 器 人在2023 年推 出 的远征A1 也具有“反关节”设计，使双足机 器人能够 拥有更大 的操作空 间以应对 更多的任 务场景。图 表：BirdBot 的“鸟 腿”设计 基于 鸟类 步态 分析，低 耗能、高 性能资料来源：Alexander Badri-Spr witz et al.BirdBot achieves energy-efficientgaitwithminimalcontrolusingavian-inspiredlegclutching，德邦 研究所图 表：Digit 和 远征A1 的 伪“鸟腿”，便捷性、应用性强资料来源：Andrew M.Abate Mechanical Design for Robot Locomotion，Agility Robotics 官网，2023 智元机器人远征A1 发布会，德邦研究所 21图 表：SLIDER 腿 部设计实现轻量化资料来源：Ke Wang et.Design and Control of SLIDER:An Ultra-lightweight,Knee-less,Low-costBipedalWalkingRobot，德邦 研究所图 表：SLIDER 腿 部无膝盖，髋关节4DOF+踝 关节2DOF资料来 源：Ke Wang et.Design and Control of SLIDER:An Ultra-lightweight,Knee-less,Low-costBipedalWalkingRobot，德邦 研究所 SLIDER:没 有膝 关节的腿 部设计，髋关节4DOF（滚动、俯仰、偏摆 和滑动）+踝 关节2DOF。当 前双足机 器人实现 直腿行走 较为困难，大多数 双足 机 器 人 需 要 在 行 走 过 程 中 维 持 膝 盖 弯 曲 以 避 免 膝 关 节 的 奇 异 问 题，将 总 质 心 控 制 在 稳 定 的 高 度 以 便 控 制。该 设 计 存 在 三 点 显 著 优 势：（1）省去 膝 关 节 电 机 以 降 低 腿 部 质 量、惯 量 和 设 计 难 度，同 时 可 以 保 持 和 人 腿 相 同 的 功 能；（2）减 小 行 走 过 程 中 总 质 心 在 垂 直 方 向 的 移 动，与 倒 立 摆模型更相近（机 器人控制 常用模 型，符合 该模型的 腿部构型 可以实现 高动态运 动性能）。（3）实现 直腿行走。少 数 方 案 采 用 合 成 腿，能 弥 补 单 一 生 物 启 发 式 腿 部 设 计 的 缺 陷 22图 表：LEO 单腿3DOF，跌倒爬起能力受限资料来源：Kyunam Kim et al.Abipedal walking robot that can fly,slackline,andskateboard，德邦研究所图 表：LEO 能 飞行、走钢丝和滑滑板资料来源：Kyunam Kim et al.Abipedal walking robot that can fly,slackline,andskateboard，德邦研究所 LEO：能飞行、走 钢丝 和滑 滑 板的 机器 人，单腿3DOF。同时 控制螺 旋桨 和腿 部关节，LEO 的设 计可 以使双 足机 器人：（1）更高的 平衡 力，完成走 钢 丝 和滑 滑 板等 复 杂动 作；（2）更敏 捷 的行 走状 态。多 模式 运 动能 力 使其 相比于 仅 能双 腿 行走 的 机器 人有更 广 的应 用 空间。但其 腿部仅 有3 个自由 度，其跌 倒爬起能 力受限。少 数 方 案 采 用 合 成 腿，能 弥 补 单 一 生 物 启 发 式 腿 部 设 计 的 缺 陷 23风险提示 人形机器 人研发 进 展不及预 期 人形机器 人产业 化 进展不及 预期 行业竞争 加剧 24信息披露分 析师与 研究助 理简介陆 强 易：德 邦 证 券 研 究 所 人 形 机 器 人&制 造 中 小 盘 组 分 析 师。华 中 科 技 大 学 金 融 学 本 科，中 央 财 经 大 学 金 融 学 硕 士，3 年 国 家 信 息 中 心 经 济 咨 询 中 心高 级 分 析 师 经验，主要从 事新能 源汽车 市场咨 询工作；2 年东 北证券 汽车高 级研究 员经验，主要 覆盖汽 车电子 和重卡。完 颜 尚 文：德 邦证 券 研 究所人 形 机 器 人&制 造 中 小 盘助理 研 究 员。南 京大 学 工 学学士、金融硕士。曾 就 职 于中投 公 司，参 与 多个 非 公 开市场 基 金、跟投 项目的 投资立 项、尽 职调查 与风险 管理工 作。投 资评级 说明1.6 6 20%5%20%-5%+5%5%2.A 500 10%-10%10%10%25免责声明分 析师声 明：本人具 有中国证 券业协 会授 予的证 券投资咨 询执业 资格，以勤勉 的职业 态度、专业审 慎的研 究方法，使用 合法合 规的信 息，独立、客观地 出具本 报告，本报 告所采用 的数据 和信 息均来 自市场公 开信息，本人 对这些 信息的 准确性 或完整 性不做 任何保 证，也 不保证 所包含 的信息 和建议 不会 发生任 何变 更。报 告中的信 息和意 见仅 供参考。本人过 去不曾 与、现 在不与、未来 也将不 会因本 报告中 的具体 推荐意 见或观 点而直 接或间 接收任 何形 式的补 偿，分 析结论 不受任 何第三 方的授 意或影 响，特 此声明。法 律声明：本 报告仅 供德 邦证券 股份有限 公司（以下 简称“本公司”）的客 户使用。本公 司不会 因接收 人收到 本报告 而视其 为客户。在任 何情况 下，本 报告中 的信 息或所 表述的 意见并 不构成 对任何 人的投 资建议。在任 何情况 下，本 公司不 对任何 人因使 用本报 告中的 任何内 容所引 致的任 何损失 负任何 责任。本 报告所 载的 资料、意见及推 测仅反 映本 公司于 发布本报 告当日 的判断，本报 告所指 的证券 或投资 标的的 价格、价值及 投资收 入可能 会波动。在不 同时期，本 公司 可发出 与本报告 所载资 料、意见及 推测不一 致的报 告。市 场有风 险，投 资需谨 慎。本 报告 所 载的 信 息、材 料及结 论只提 供特定 客户作 参考，不构 成投 资建议，也没有 考虑到 个别 客户特 殊的投资 目标、财务状 况或需 要。客 户应考 虑本报 告中的 任何意 见或建 议是否 符合其 特定状 况。在法律 许可的 情况 下，德 邦证券及 其所属 关联 机构可 能会持有 报告中 提到的 公司所 发行的 证券并 进行交 易，还 可能为 这些公 司提供 投资银 行服务 或其他 服务。本报 告仅 向特定 客户传送，未经 德邦 证券研 究所书面 授权，本研究 报告的 任何部 分均不 得以任 何方式 制作任 何形式 的拷贝、复印 件或复 制品，或再 次分发 给任 何其他 人，或以 任何侵 犯本 公司版 权的其他 方式使 用。所 有本报 告中使 用的商 标、服 务标 记 及标 记 均为 本 公司 的 商标、服务标 记及标 记。如 欲引用 或转载 本文内 容，务 必联络 德邦证 券研究 所并获 得许可，并需 注明出 处为德 邦证券 研究所，且不 得对本 文进行 有悖原 意的引 用和删 改。根 据中国 证监会 核发的 经营证 券业务 许可，德邦证 券股份 有限公 司的经 营范围 包括证 券投资 咨询业 务。26德 邦证券 股份有限 公司地 址：上海市中山东二路600号外滩金融中心N1 幢9 层电 话：+86 21 68761616 传 真：+86 21 68767880400-8888-128
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