（3-2）机器人身体结构与人体仿生学：人形机器人躯干系统

3.2  人形机器人躯干系统

躯干是人形机器人的核心支撑与功能集成单元，承担连接四肢、容纳核心部件（电池、控制器、传感器）、传递运动力矩及维持动态平衡的多重使命。其设计需在人体仿生学（如脊柱运动特性、躯干质量分布）与工程实现（结构刚度、驱动效率、空间利用率）之间找到最优平衡，直接决定机器人的运动协调性、负载能力与运行稳定性。

3.2.1  躯干结构方案

人形机器人躯干结构如图3-6所示，躯干是连接四肢、承载核心部件（电池、控制器、传感器）并传递运动力矩的关键载体，其结构设计的核心矛盾是刚度与灵活性的平衡、集成效率与维护便捷性的取舍。

图3-6  人形机器人躯干的结构

当前工程领域形成了三类主流方案，均围绕“仿生适配+工程落地”展开，具体设计特性与适用场景如下。

1. 一体化结构方案

（1）设计逻辑：

以“极致刚性与结构稳定性”为核心，采用整体式无拆分框架，通过高性能复合材料一体成型工艺，将胸段、腰段、骨盆整合为单一刚性体，核心功能部件（驱动电机、控制器、电池）内嵌于框架预留的密闭腔体中，无外部可拆卸接口。

（2）关键设计细节

1. 材料选型：主流采用T800级碳纤维复合材料（密度1.75g/cm³，拉伸模量≥230GPa），部分重型负载机器人选用7075-T6高强度铝合金（密度2.8g/cm³，屈服强度≥503MPa）。
2. 工艺实现：碳纤维部件采用热压罐一体成型（孔隙率≤0.8%），铝合金部件采用五轴CNC整体加工，避免焊接或拼接导致的刚度损耗。
3. 核心参数：弯曲刚度≥6×10⁴N/m，扭转刚度≥1.5×10³N・m/rad；静态负载下躯干中点挠度≤2mm（100N纵向力）。

（3）工程案例

工业级重载人形机器人“HD-1”：采用碳纤维一体化躯干，可承载80kg末端负载，适配仓储搬运、重型装配等场景，其躯干结构占整机质量比仅12%，却承担了60%的力传递任务。

（4）优缺点

1. 优势：结构整体性强，无连接间隙导致的振动与应力集中；质量分布均匀，动态平衡控制难度低；防护性好，可适应复杂工业环境。
2. 劣势：设计迭代成本高（模具更换周期≥1个月）；维护不便，核心部件故障需整体拆解；灵活性不足，仅能通过四肢关节补偿运动范围。

2. 模块化结构方案

（1）设计逻辑

按功能划分为上躯干模块（胸、颈、肩部接口）与下躯干模块（腰、骨盆、髋部接口），通过标准化机械接口+电信号集成接口实现可拆卸连接，模块间采用锥面定位+多螺栓紧固，保证连接精度与刚度。

（2）关键设计细节

1. 接口设计：锥面配合精度IT6级，采用4~6颗M5高强度螺栓（预紧力10N・m）；集成信号接口（CAN总线+电源接口），插拔次数≥1000次无故障。
2. 模块功能划分：上躯干集成视觉传感器、语音交互模块、上肢驱动控制器；下躯干集成电池组、下肢动力控制器、平衡传感器。
3. 核心参数：模块重复定位误差≤0.05mm；拆分/组装耗时≤15分钟；连接后扭转刚度≥1.0×10³N・m/rad（仅比一体化方案低30%）。

（3）工程案例

科研级人形机器人“Walker X”：模块化躯干支持快速更换上躯干（如搭载不同传感器套件）或下躯干（如适配不同步态的骨盆结构），适配人机交互、步态研究等多场景需求，研发迭代效率提升40%。

（4）优缺点

1. 优势：功能扩展灵活，可按需升级或替换模块；维护成本低，局部故障仅需更换对应模块；适配多场景定制化需求，设计复用率高。
2. 劣势：接口处存在微小刚度损耗；模块接缝可能影响仿生形态的平整性；需额外设计接口密封与防振结构。

3. 仿生脊柱结构方案

（1）设计逻辑

模拟人体脊柱的分段式串联关节结构，由3~5个微型柔性关节（含谐波减速器、力矩传感器）串联组成，关节运动轴线贴合人体脊柱生理弯曲轨迹，实现躯干屈伸、侧屈、旋转的类人运动，同时通过刚性段（碳纤维材质）保证整体支撑强度。

（2）关键设计细节

1. 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。
2. 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。
3. 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）。

（3）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。

（4）优缺点

1. 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。
2. 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。

总之，具体的躯干结构方案选型决策如表3-3所示。

表3-3  躯干结构方案的选型决策表

3.2.2  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。图3-7是一张人形机器人躯干“背部驱动”结构图，其中电机、谐波减速器等部件集中布置于躯干背部，通过柔性传动件向躯干关节传递动力，搭配护壳、模块化挂装器，动力传动路径较长。

图3-7  人形机器人躯干背部驱动结构图

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

（1）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。

（2）核心设计细节

1. 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；
2. 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；
3. 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。

（3）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。

（4）优势与局限性

1. 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；
2. 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10~20ms，不适配高精度动态控制。

2. 腹部驱动方案

（1）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。

（2）核心设计细节

1. 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%；
2. 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%；
3. 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。

（3）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。

（4）优势与局限性

1. 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；
2. 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。

总之，具体背部驱动与腹部驱动方案选型决策如表3-3所示。

表3-3  背部驱动与腹部驱动方案的选型决策表

3.2.3  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。

1. 核心性能指标（量化要求）

（1）静态刚度指标

1. 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；
2. 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；
3. 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。

（2）动态刚度指标

1. 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；
2. 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。

（3）抗扭专项指标

1. 抗扭强度：可承受≥200N・m的极限扭转载荷，无永久变形；
2. 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%）；
3. 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。

2. 刚度与抗扭提升设计

（1）材料选型优化

1. 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）；
2. 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；
3. 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，对应测试曲线如图3-8所示。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

（2）结构拓扑优化

1. 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；
2. 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；
3. 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。

（3）工艺保障措施

1. 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；
2. 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；
3. 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。

3. 不同结构方案的适配优化

（1）一体化结构方案

1. 优化重点：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；
2. 关键措施：躯干中轴线两侧对称布置加强筋，厚度≥5mm，避免应力集中。

（2）模块化结构方案

1. 优化重点：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；
2. 关键措施：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。

（3）仿生脊柱结构方案

1. 优化重点：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；
2. 关键措施：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。

4. 验证与校核方法

（1）仿真校核

1. 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%）；
2. 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。

（2）实验测试

1. 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；
2. 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；
3. 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。

5. 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。