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
人形机器人躯干是连接四肢、承载核心部件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。
- 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，核心功能部件内嵌于框架预留的密闭腔体中。
（2）关键设计细节
- 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。
- 工艺实现：碳纤维部件采用热压罐一体成型，铝合金部件采用五轴 CNC 整体加工。
- 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。
（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，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
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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，防护性好。
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劣势：设计迭代成本高；维护不便，核心部件故障需整体拆解；灵活性不足。
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模块化结构方案
（1）设计逻辑 按功能划分为上躯干模块与下躯干模块，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。
（2）关键设计细节
- 接口设计：锥面配合精度 IT6 级，采用 4~6 颗 M5 高强度螺栓；集成信号接口（CAN 总线 + 电源接口）。
- 模块功能划分：上躯干集成视觉传感器、语音交互模块；下躯干集成电池组、下肢动力控制器。
- 核心参数：模块重复定位误差≤0.05mm；拆分/组装耗时≤15 分钟。
（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或下躯干，研发迭代效率提升 40%。
（4）优缺点
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优势：功能扩展灵活，维护成本低；适配多场景定制化需求。
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劣势：接口处存在微小刚度损耗；接缝可能影响仿生形态平整性。
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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 个微型柔性关节串联组成，实现躯干屈伸、侧屈、旋转的类人运动，同时通过刚性段保证整体支撑强度。
（2）关键设计细节
- 关节设计：单个微型关节采用谐波减速器，最大输出扭矩≥10N・m；集成六轴力矩传感器。
- 结构布局：关节与刚性段交替布置，总长度适配人体比例；外部包裹柔性仿生外壳。
- 核心参数：运动范围（屈伸±35°、侧屈±25°、旋转±20°）。
（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，运动自然度与人相似度≥85%。
（4）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。
- 劣势：结构复杂度高，控制算法难度大；成本较高；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。
