人形机器人躯干系统设计：结构方案、驱动布局与刚度要求

关键设计细节

• 关节设计：单个微型关节采用 20 型谐波减速器（传动比 100:1），最大输出扭矩≥10N・m；集成六轴力矩传感器，力控精度≤0.1N・m。
• 结构布局：关节与刚性段交替布置（如'刚性段 - 关节 - 刚性段 - 关节'），总长度适配人体比例（约占身高的 30%）；外部包裹柔性仿生外壳，模拟人体躯干轮廓。
• 核心参数：运动范围（屈伸±35°、侧屈±25°、旋转±20°）；整体扭转刚度≥0.8×10³N・m/rad（通过刚性段补偿关节柔性）。

工程案例 服务型人形机器人'优必选 WalkerS'采用 4 关节仿生脊柱，可完成弯腰取物、侧身避让、转身问候等复杂躯干动作，运动自然度与人相似度≥85%，适配家庭服务、商业展示等场景。

优缺点

• 优势：运动灵活性极高，仿生形态自然；可通过躯干关节补偿四肢运动范围，降低四肢驱动负载；人机交互时动作更亲和，用户接受度高。
• 劣势：结构复杂度高，控制算法难度大（需协调多关节联动）；成本较高（单个微型关节成本约为一体化结构同部位的 3 倍）；长期使用时关节磨损需定期维护。

相关对比如下表所示：

背部驱动与腹部驱动

躯干驱动单元的布局方式（背部/腹部）直接决定动力传递效率、核心部件集成空间及仿生形态还原度，是平衡'功能集成'与'运动性能'的关键设计决策。在实际应用中，有如下两种主流布局的核心特性。

1. 背部驱动方案

设计形式 将驱动电机、传动组件（谐波减速器、齿轮组等）集中布置于躯干背部的脊柱两侧区域，通过柔性传动件（钢丝绳）或连杆连接躯干关节，实现屈伸、扭转等运动的动力传递。

核心设计细节

• 传动路径：驱动单元→柔性传动件/连杆→躯干关节，传动距离通常为 15~30cm；
• 空间利用：腹部区域完全预留，可容纳大容量电池（占整机电量 70% 以上）、多模块控制器等大型部件；
• 防护设计：驱动组件被背部外壳包裹，远离人机交互接触面，碰撞风险降低 60% 以上。

工程案例 工业重载机器人'HD-2'采用背部驱动布局，腹部集成 20Ah 大容量电池，持续作业时长提升至 8 小时，适配仓储搬运等长续航重载场景。

优势与局限性

• 优势：腹部空间利用率高，核心部件集成更宽松；防护性好，适配复杂作业环境；
• 局限性：传动路径长，动力损耗约 15%25%；背部凸起明显，仿生形态还原度较低；响应延迟 1020ms，不适配高精度动态控制。

图 3-7 人形机器人躯干背部驱动结构图

2. 腹部驱动方案

设计形式 将驱动电机与传动机构（多为直驱或短距谐波减速结构）集成于躯干腹部内侧，通过短距刚性连杆直接连接躯干关节，传动路径缩短至 5~10cm。

核心设计细节

• 传动形式：驱动单元→短距刚性连杆→躯干关节，动力损耗控制在 5%~15%；
• 部件集成：需采用扁平化电机（厚度≤30mm）、小型化控制器，部件集成度要求提升 40%；
• 安全设计：驱动区域加装柔性缓冲外壳，配合力矩限制器（过载 1.5 倍自动脱开），降低人机接触风险。

工程案例 服务型机器人'Walker S'采用腹部驱动布局，躯干屈伸响应延迟≤8ms，可实现自然的弯腰取物、侧身避让等类人动作，适配家庭服务场景。

优势与局限性

• 优势：动力传递效率高，响应速度快；躯干前后轮廓平整，仿生形态更自然；
• 局限性：腹部空间紧张，部件集成难度大；驱动单元靠近人机交互区，需额外增加安全防护结构。

具体背部驱动与腹部驱动方案的选型决策如下：

结构刚度与抗扭要求

结构刚度与抗扭性能是人形机器人躯干的核心力学指标，直接决定了力传递效率、运动控制精度与结构使用寿命。需要躯干在承受四肢惯性力、地面反作用力及外部负载的同时，避免过度变形或扭转，为整机动态平衡与精准作业提供刚性基础。

核心性能指标（量化要求）

静态刚度指标

• 弯曲刚度：躯干中点承受 100N 纵向集中载荷时，最大挠度≤5mm，对应刚度≥2×10⁴N/m；
• 扭转刚度：躯干两端施加 100N・m 扭矩时，扭转角度≤0.5°（约 0.0087rad），对应刚度≥1.15×10³N・m/rad；
• 局部刚度：四肢与躯干连接接口（肩、髋）承受 50N 横向力时，接口处变形≤0.2mm，避免连接间隙导致的运动误差。

动态刚度指标

• 共振频率：在 10~200Hz 频率范围内无明显共振峰值，一阶共振频率≥80Hz，防止高速运动（如跑步、快速转向）时产生结构振动；
• 振动衰减：突发负载（如末端碰撞 10N 冲击力）下，振动幅值≤0.1mm，衰减时间≤0.5s，避免振动传递至核心传感器影响检测精度。

抗扭专项指标

• 抗扭强度：可承受≥200N・m 的极限扭转载荷，无永久变形；
• 疲劳抗扭：10⁶次循环扭转载荷（±50N・m）下，结构无裂纹或刚度衰减（衰减率≤5%）；
• 偏载抗扭：质量偏载≤5kg（单侧）时，扭转角度增量≤0.1°，确保非对称负载下的稳定性。

刚度与抗扭提升设计

材料选型优化

• 主体结构：优先采用 T700/T800 级碳纤维复合材料（拉伸模量≥230GPa，比强度≥1.5×10⁵N・m/kg），关键受力部位（如脊柱、髋部接口）采用碳纤维铺层优化（0°/45°/90°混合铺层，增强抗扭性能）；
• 接口部件：四肢连接接口、螺栓座采用 7075-T6 高强度铝合金（屈服强度≥503MPa），局部嵌入钛合金（TC4）加强套，避免螺纹连接失效；
• 非承重部件：采用 PA66+30% 玻纤增强塑料，在减重的同时保证局部支撑刚度。

为了验证 T700/T800 级碳纤维复合材料作为主体结构材料的实际力学适配性，通过静态与动态加载测试可直观体现其在载荷作用下的力 - 位移响应特性。在该图中，实线（Static-170-1）与虚线（Dynamic-170-4）分别对应该碳纤维材料在静态、动态加载工况下的力学表现，曲线所体现的高承载能力（载荷峰值可达 60kN 级）与稳定的力 - 位移响应规律，恰好印证了其'高拉伸模量、高比强度'的核心性能优势，也为将其作为主体结构材料的选型决策提供了实测数据支撑。

图 3-8 静态与动态加载下 T700/T800 级碳纤维复合材料的力 - 位移曲线

结构拓扑优化

• 主体框架：采用'箱型截面 + 内部桁架'结构，躯干横截面设计为矩形或六边形（抗扭截面模量高于圆形），内部增设交叉支撑筋，密度≤150g/dm³；
• 接口强化：肩、髋连接区采用环形加强筋 + 辐射状支撑结构，螺栓均匀分布（间距≤40mm），形成闭合受力回路，减少接口滑移；
• 仿生脊柱适配：仿生脊柱结构采用'刚性段 + 柔性关节'交替设计，刚性段采用碳纤维一体成型（长度 50~80mm），柔性关节内置扭矩弹簧，平衡灵活性与整体刚度。

工艺保障措施

• 碳纤维成型：采用热压罐一体成型工艺，控制层间孔隙率≤1%，避免层间剥离导致的刚度下降；
• 金属加工：铝合金部件采用 CNC 整体加工，无焊接接缝，保证刚度均匀性；
• 装配工艺：碳纤维与金属接口采用胶接 + 机械连接复合方案（胶接面粗糙度 Ra=3.2μm），提高界面结合强度，减少刚度损耗。

不同结构方案的适配优化

• 一体化结构方案：优化重点在于强化整体刚度，采用全封闭箱型框架，内部填充轻质泡沫芯材（密度≤300kg/m³），提升弯曲与扭转刚度的协同性；躯干中轴线两侧对称布置加强筋，厚度≥5mm，避免应力集中。
• 模块化结构方案：优化重点在于弥补接口刚度损耗，模块连接采用'锥面定位 + 多螺栓紧固 + 弹性垫圈补偿'方案，锥面配合精度 IT6 级，预紧力≥12N・m；接口处增设环形加强板（厚度≥8mm），覆盖连接面全域，分散扭转载荷。
• 仿生脊柱结构方案：优化重点在于平衡关节灵活性与整体抗扭，刚性段长度占比≥60%，关节连接处采用花键连接 + 力矩传感器，限制过度扭转；脊柱外部包裹碳纤维套管（壁厚 3~5mm），形成整体抗扭外壳，同时不影响关节运动范围。

验证与校核方法

仿真校核

• 有限元分析（FEA）：采用 ANSYS 或 ABAQUS 建立躯干三维模型，模拟静态负载、动态冲击、循环扭转等工况，分析应力分布（最大应力≤材料屈服强度的 60%）；
• 多体动力学仿真：结合整机运动模型，仿真步态、跑步等典型动作下的躯干变形，验证刚度是否满足运动控制要求。

实验测试

• 静态刚度测试：采用万能试验机施加纵向载荷与扭转载荷，通过激光位移传感器检测变形量，记录刚度曲线；
• 动态刚度测试：采用激振器在躯干不同部位施加正弦激励，通过加速度传感器采集振动响应，识别共振频率；
• 抗扭疲劳测试：采用扭转疲劳试验机进行循环加载，通过超声探伤检测结构内部裂纹，验证疲劳寿命。

设计禁忌与注意事项

1. 避免单一材料刚性不足：禁止纯铝合金或塑料作为主体结构材料，需复合碳纤维提升比强度；
2. 避免接口设计缺陷：禁止螺栓数量过少（单侧接口≤3 颗）或布置不均，防止局部应力集中；
3. 避免质量分布失衡：核心部件（电池、控制器）需按中轴线对称布置，单侧质量偏差≤3kg，减少偏载抗扭压力；
4. 避免过度减重：结构减重需以满足刚度指标为前提，减重率≤30%（相对于基准钢质结构），禁止牺牲刚度换取轻量化。