Explosive Output to Enhance Jumping Ability: A Variable Reduction Ratio Design Paradigm for Humanoid Robots Knee Joint
作者: Xiaoshuai Ma, Haoxiang Qi, Qingqing Li, Haochen Xu, Xuechao Chen, Junyao Gao, Zhangguo Yu, Qiang Huang
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2025-06-14
💡 一句话要点
提出可变减速比膝关节设计，提升人型机器人跳跃爆发力
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 人型机器人 膝关节设计 可变减速比 爆发力输出 跳跃控制
📋 核心要点
- 人型机器人膝关节爆发力不足，受限于固定传动比与电机高速性能下降。
- 设计动态递减减速比膝关节，初始高扭矩，后期降速节能，维持高功率输出。
- 实验验证单关节平台垂直跳跃提升28.1%，人型机器人实现跳远1.1米等动作。
📝 摘要（中文）
为了提高人型机器人的敏捷性和越障能力，增强膝关节的爆发力输出至关重要。然而，膝关节到质心(CoM)的传动比与跳跃需求不匹配，以及电机在高速下的性能下降，限制了高功率输出的持续时间，从而限制了跳跃性能。为了解决这些问题，本文提出了一种新型膝关节设计范式，该范式采用动态递减的减速比，以实现跳跃过程中的爆发力输出。通过分析跳跃过程中电机的输出特性和膝关节运动学，提出了一种耦合策略，其中减速比随着关节的伸展而逐渐减小。较高的初始减速比在跳跃开始时迅速增加扭矩，而其逐渐减小则最大限度地减少了电机速度的增加和功率损耗，从而保持了持续的高功率输出。紧凑高效的线性致动器驱动导杆机构实现了这种耦合策略，并通过爆炸跳跃控制策略指导的参数优化提供支持。实验验证表明，在单关节平台上实现了63厘米的垂直跳跃（理论上比最佳固定比关节提高了28.1％）。集成到人型机器人中后，所提出的设计能够实现1.1米的跳远、0.5米的垂直跳跃和0.5米的箱式跳跃。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决人型机器人膝关节在跳跃过程中爆发力不足的问题。现有的固定减速比设计无法兼顾起跳时的高扭矩需求和后续维持高功率输出的需求，同时电机在高转速下性能会下降，导致跳跃高度和距离受限。
核心思路：论文的核心思路是设计一种动态可变的减速比机构，在跳跃初期采用较高的减速比以提供足够的扭矩，而在跳跃过程中逐渐降低减速比，以减少电机转速的增加和功率损耗，从而维持高功率输出。这种设计能够更好地匹配跳跃过程中膝关节的运动学和动力学需求。
技术框架：该方法主要包含以下几个阶段：1) 分析跳跃过程中电机输出特性和膝关节运动学；2) 设计一种线性致动器驱动的导杆机构来实现动态可变的减速比；3) 基于爆炸跳跃控制策略进行参数优化；4) 在单关节平台和人型机器人上进行实验验证。
关键创新：该论文的关键创新在于提出了一种动态递减的减速比设计，能够根据跳跃过程中膝关节的运动状态自适应地调整减速比。与传统的固定减速比设计相比，该设计能够更好地平衡扭矩和速度的需求，从而提高跳跃的爆发力和持续性。
关键设计：论文采用线性致动器驱动导杆机构来实现可变减速比。具体的参数优化是基于爆炸跳跃控制策略进行的，目标是最大化跳跃高度或距离。具体的损失函数和网络结构等技术细节未知。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，在单关节平台上，该设计实现了63厘米的垂直跳跃，理论上比最佳固定比关节提高了28.1%。集成到人型机器人后，实现了1.1米的跳远、0.5米的垂直跳跃和0.5米的箱式跳跃。这些数据表明，该设计能够显著提高人型机器人的跳跃性能。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种需要高爆发力和敏捷性的人型机器人应用场景，例如：灾难救援、物流运输、运动竞技等。通过提高机器人的跳跃能力，可以使其更好地适应复杂地形，完成更具挑战性的任务，并提升人机交互的效率和安全性。未来，该技术有望进一步推广到其他机器人关节的设计中。
📄 摘要（原文）
Enhancing the explosive power output of the knee joints is critical for improving the agility and obstacle-crossing capabilities of humanoid robots. However, a mismatch between the knee-to-center-of-mass (CoM) transmission ratio and jumping demands, coupled with motor performance degradation at high speeds, restricts the duration of high-power output and limits jump performance. To address these problems, this paper introduces a novel knee joint design paradigm employing a dynamically decreasing reduction ratio for explosive output during jump. Analysis of motor output characteristics and knee kinematics during jumping inspired a coupling strategy in which the reduction ratio gradually decreases as the joint extends. A high initial ratio rapidly increases torque at jump initiation, while its gradual reduction minimizes motor speed increments and power losses, thereby maintaining sustained high-power output. A compact and efficient linear actuator-driven guide-rod mechanism realizes this coupling strategy, supported by parameter optimization guided by explosive jump control strategies. Experimental validation demonstrated a 63 cm vertical jump on a single-joint platform (a theoretical improvement of 28.1\% over the optimal fixed-ratio joints). Integrated into a humanoid robot, the proposed design enabled a 1.1 m long jump, a 0.5 m vertical jump, and a 0.5 m box jump.