为什么人形机器人腿都站不直？

在深入观察人形机器人的腿部构造后，我们不难发现，现阶段的人形机器人与人类的运动模式存在一定的差异。自然状态下，人类腿部是直立行走，通过身体稍微前倾来驱动腿部运动。然而，无论人形机器人是仿人、鸟足还是点足型，其膝盖都呈现弯曲状态。这背后的原因是什么呢？

从机器人控制学的角度出发，膝盖弯曲的设计能够确保机器人的姿态非奇异，从而优化其控制性能。在行走过程中，这种设计也有助于机器人保持更加稳定的步伐，提高其运动表现。

机器人腿部伸直并不是不可以，而是伸直后会不可避免的出现两种情况。第一种问题是关节可达空间变小。因为，膝盖伸直导致脚踝只能以腿长为半径的圆弧移动，而不能运动到圆弧以内的区域。而另一问题则是，丧失一定自由度导致受力问题，如膝伸直后垂直腿方向受载性能极差，但沿腿方向受载能力倍增。在运动控制上，往往这两项问题十分棘手。

此外也有观点认为，机器人双腿是两个2个linkage与2个revolute joint的串联结构，膝盖关节处处于被动运动。如果机器人腿部直立会使其到达奇点状态，双腿丢失或者增加自由度，导致其不受控制。

从机器人的运动控制角度来看，采用弯膝行走方式相较于直膝行走能够提供更好的运动控制能力。在面对起伏不平的路面时，采用弯膝行走方式的机器人腿部仍然具备伸直的余量，从而确保行走过程中的稳定性和平衡性。此外，采用弯膝行走方式的机器人重心更低，这进一步增强了其平衡控制能力。在面临晃动的情况下，这种行走方式更能帮助机器人维持身体的平稳性。从这两个方面来看，弯膝行走方式相较于直膝行走方式具有显著的优势。

除此之外，在弯膝行走时，可以有效降低与地面接触的那条腿的弯曲程度，从而使重心更加稳定。同时，另一条腿可以进一步伸展，以补偿重心浮动的误差，保持行走的平衡。

举个简单易懂的例子，当你走下楼梯时，如果前腿抬起准备接触下一级台阶，而后腿保持直立，身体容易向前倾斜导致摔倒。而弯曲膝盖则具有一定缓冲能力。做到更好的上下余量调节，从而保持身体平衡。

机器人弯膝走路虽然能够获得更加稳定的行走能力，但也确实会导致能耗的增加，为了保持机器人的稳定站立，关节电机必须持续施加一个力。这一点类似于人类在站立或行走时，需要始终保持弯曲的腿部状态，从而增加了能量的消耗。

在人类步态行走时，实际上并不需要进行过于复杂的计算。这是因为在节能状态下，人体通过一种类似重力摆动的机制来完成行走。在起始阶段，只需一个关节协同身体向前倾斜的动作，使重力向第一条腿转移，并通过施加压力来维持平衡。同时，关节还具备制动功能，以实现行走与暂停之间的灵活切换。这种机制是一种协同性的运动模块。相比之下，人形机器人由于缺乏肌肉组织，其动能主要集中在关节部分。这导致人类与人形机器人在整体运动结构上存在明显差异。

然而人类的直膝走路也并无懈可击，在直膝行走时，步态当中有一个瞬间腿是伸直状态，通过大小腿骨骼近似同轴达到连杆死点来支撑着身体，此时伸直的支撑腿膝关节几乎没有驱动力矩。若身体因各种原因发生晃动，且髋关节和踝关节的力量无法完全提供防倾倒力矩，身体姿态将有倾倒的趋势。同时，支撑腿的运动空间有限，这导致身体姿态逐渐失衡并最终引发摔倒。

在行走过程中，人类直腿脚掌行走方式主要依靠沿腿轴方向的推力和髋踝关节的扭矩来传递力量，传力方向较为单一。因此，在每次移动步伐时，需要精确计算每一步下落的点位，以避免出现落地不稳的情况。而弯曲腿走路则可以通过膝关节的弯曲来调节落地腿传递给身体的力和方向，从而更好地分散身体的重量并保持平衡。

就如同我们开始滑旱冰时要低着身子，弯下膝盖，让身体保持平衡一样。除了重心降低之外，弯膝能够更好的对左右身体倾斜进行补救。事实上，除了更累之外，稳定能力远比直膝来得更好。

根据上述分析，人类在行走过程中采取的后蹬动作，通过踝关节转动与脚跟离地，不仅显著提高了行走的能量效率，还优化了腿部长度与重心起伏。然而，尽管机器人踝关节具备转动功能，却因动力不足而无法实现脚跟离地的效果。为弥补这一缺陷，机器人的膝关节设计为弯曲，作为额外的长度储备。这种设计确实增强了机器人的稳定性，但同时也导致了功耗的增加。此外，由于关节模组承担了主要的发力与制动任务，为了获得更高的爆发力，人形机器人需要配置更大规格的关节驱动单元，这无疑增加了整体结构的重量。

现在你知道为什么绝大多数人形机器人都采用弯膝设计了么？