人形机器人腿部构型研究的历史、现状与展望

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240228

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (10): 131-144.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240228

人形机器人腿部构型研究的历史、现状与展望

丁宏钰¹^,², 石照耀³, 张攀³, 付春江⁴

^1.广东海洋大学机械与能源工程学院，广东阳江 529500
^2.广东海洋大学深圳研究院，广东深圳 518116
^3.北京工业大学北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，北京 100124
^4.深圳市优必选科技股份有限公司人形机器人创新中心，广东深圳 518052

收稿日期:2024-05-09 出版日期:2025-10-25 发布日期:2025-05-30
通信作者: 石照耀（1964—），男，教授，博士生导师，主要从事精密测试技术和仪器、齿轮工程与精密减速器研究。 E-mail:hyding2004@163.com;shizhaoyao@bjut.edu.cn
作者简介:丁宏钰（1979 —），男，高级工程师，硕士生导师，主要从事精密减速器、机器人关节、机器人构型研究。E-mail：hyding2004@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(52375048);国家自然科学基金项目(52305046);广东海洋大学科研启动项目(1302-360302022301)

History, Present Situation and Prospect of Research on Leg Configuration of Humanoid Robot

DING Hongyu¹^,², SHI Zhaoyao³, ZHANG Pan³, FU Chunjiang⁴

^1.School of Mechanical and Energy Engineering，Guangdong Ocean University，Yangjiang 529500，Guangdong，China
^2.Shenzhen Institute of Guangdong Ocean University，Shenzhen 518116，Guangdong，China
^3.Beijing Engineering Research Center of Precision Measurement Technology and Instruments，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China
^4.Humanoid Innovation Center，UBTECH Robotics，Inc. ，Shenzhen 518052，Guangdong，China

Received:2024-05-09 Online:2025-10-25 Published:2025-05-30
Contact: 石照耀（1964—），男，教授，博士生导师，主要从事精密测试技术和仪器、齿轮工程与精密减速器研究。 E-mail:hyding2004@163.com;shizhaoyao@bjut.edu.cn
About author:丁宏钰（1979 —），男，高级工程师，硕士生导师，主要从事精密减速器、机器人关节、机器人构型研究。E-mail：hyding2004@163.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52375048)

摘要/Abstract

摘要：

人形机器人的运动性能还没有全面达到人类的水平，是影响其大规模产业化应用的因素之一，这不仅是由于控制算法的限制，也受到机械结构设计的制约，尤其是腿部构型在很大程度上决定了机器人的动态平衡性、负载能力和能源效率。为此，该文研究了国内外人形机器人腿部构型的起源与发展历程。目前，人形机器人的腿部构型主要分为串联、并联和串并联3种形式，其结构特性直接影响运动表现。该文分析了串联、并联和串并联构型，并比较其性能特点：串联构型工作空间大，灵活性高，但由于关节传动链较长，刚度相对较低，影响承载能力；并联构型刚度高，动态响应快，但运动范围受限；串并联构型则结合了前两者的优势，具有较好的刚度和灵活性，近年来逐渐成为研究热点之一。讨论了腿部构型研究的技术难点、热点，指出了发展趋势：腿部从采用单一串联构型向使用并联和串并联构型方向发展；腿部驱动器由刚性驱动器向弹性和准直驱驱动器方向发展；腿部采用旋转驱动器向旋转和直线驱动器并用方向发展；控制方面由位置控制向力矩控制和力位混合控制方向发展。

关键词: 驱动器, 串并联构型, 腿部, 运动控制, 人形机器人

Abstract:

The motion performance of humanoid robots has not yet fully reached the level of human beings, which is one of the factors hindering their large-scale industrial application. This limitation stems not only from constraints in control algorithms but also from mechanical structure design, particularly the leg configuration, which largely determines a robot’s dynamic balance, load capacity, and energy efficiency. The study examined the origins and evolution of leg configurations in humanoid robots, both domestically and internationally. Currently, the leg configurations of humanoid robots are primarily categorized into three types: serial, parallel, and hybrid serial-parallel. Their structural characteristics directly influence locomotion performance. The study compared the serial, the parallel and the series-parallel configurations and their performance characteristics. The serial configuration offers a large workspace and high flexibility, but its relatively lower stiffness—due to the extended joint transmission chain—compromises its load capacity. The parallel configuration provides high rigidity and fast dynamic response, yet its range of motion is limited. The hybrid serial-parallel design combines the strengths of both, achieving ba-lanced stiffness and flexibility, which has increasingly made it a key research focus in recent years. Finally, this paper also discussed technical difficulties and hot spots in the study of leg configuration and pointed out the development trend: the leg configuration is developing from single series configuration to parallel and series-parallel configuration, from rigid actuator to elastic actuator and quasi direct drive actuator, from torque control to hybrid force-position control.

Key words: actuator, series-parallel configuration, leg, motion control, humanoid robot

中图分类号:

TP242.6

丁宏钰, 石照耀, 张攀, 付春江. 人形机器人腿部构型研究的历史、现状与展望[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(10): 131-144.

DING Hongyu, SHI Zhaoyao, ZHANG Pan, FU Chunjiang. History, Present Situation and Prospect of Research on Leg Configuration of Humanoid Robot[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(10): 131-144.

图/表 30

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机器人名称（时间）	髋部	膝部	踝部	腿部应用并联机构自由度数量
LOLA^［9］（2006年）	0	1	2	3
Valkyrie^［36］（2013年）	0	0	2	2
TORO^［22］（2014年）	0	0	2	2
THOR^［10］（2014年）	3	1	2	6
TALOS^［40］（2017年）	0	0	2	2
RH5^［9］（2017年）	1	1	2	4
Disney Robot^［52］（2018年）	3	1	1	6
YC^［57］（2021年）	1	1	2	4
MIT Humanoid^［56］（2021年）	1	1	2	4
Optimus^［64］（2022年）	2	1	2	5
BHR-T^［63］（2023年）	0	1	2	3

部位名称	机构/代号
髋部
髋部	3-UPU	3-PSP	3-RRR	3-R［2-SS］
膝部
膝部	1-RRRR	1-RRPR
踝部
踝部	2-SPU+1U	2-PUS+1U	2-SPRR+1U	2-SU［1-RRPR］+1U

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History, Present Situation and Prospect of Research on Leg Configuration of Humanoid Robot

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