A Framework for Optimal Ankle Design of Humanoid Robots

📄 arXiv: 2509.16469v1 📥 PDF

作者: Guglielmo Cervettini, Roberto Mauceri, Alex Coppola, Fabio Bergonti, Luca Fiorio, Marco Maggiali, Daniele Pucci

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-19

备注: This paper has been accepted for publication at the 2025 IEEE-RAS 24th International Conference on Humanoid Robots (Humanoids), Seoul, 2025

💡 一句话要点

提出人形机器人踝关节优化框架，提升地面交互的安全性和效率

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 踝关节设计 并联机构 多目标优化 运动学建模 性能评估

📋 核心要点

  1. 现有的人形机器人踝关节设计缺乏系统性的优化方法，难以兼顾机械性能和任务需求。
  2. 本文提出了一种统一的并联踝关节机构设计与评估方法，通过多目标优化综合考虑多种性能指标。
  3. 实验结果表明，优化后的RSU架构踝关节在性能上显著优于原始设计和其他传统设计。

📝 摘要（中文）

人形机器人踝关节的设计对于安全和高效的地面交互至关重要。机械顺应性和电机质量分布等关键因素推动了并联机构架构的应用。然而，选择最佳配置取决于执行器的可用性和任务需求。本文提出了一种统一的方法来设计和评估并联踝关节机构。通过多目标优化综合机构几何形状，并使用标量成本函数评估结果，该函数聚合了关键性能指标，用于跨架构比较。我们重点关注两种具有代表性的架构：球形-棱柱形-万向（SPU）和旋转-球形-万向（RSU）。对于两者，我们都解决了运动学问题，并且对于RSU，引入了一种参数化，以确保工作空间的可行性并加速优化。我们通过重新设计现有的人形机器人踝关节来验证我们的方法。优化后的RSU始终优于原始串行设计和传统设计的RSU，分别将成本函数降低了高达41%和14%。

🔬 方法详解

问题定义：人形机器人踝关节的设计是一个复杂的问题，需要同时考虑机械顺应性、电机质量分布、工作空间、运动学性能等多个因素。现有的设计方法往往依赖于经验或启发式方法，难以找到全局最优解，并且缺乏对不同机构架构的系统性比较。因此，需要一种能够综合考虑各种因素，并对不同架构进行评估的优化框架。

核心思路：本文的核心思路是将踝关节设计问题转化为一个多目标优化问题，通过优化机构的几何参数，使得设计的踝关节在满足任务需求的同时，具有良好的机械性能。为了加速优化过程，针对RSU架构，提出了一种新的参数化方法，确保工作空间的可行性。同时，设计了一个标量成本函数，用于综合评估不同架构的性能。

技术框架：该框架主要包含以下几个阶段：1) 机构架构选择（SPU或RSU）；2) 运动学建模与分析；3) 参数化设计空间；4) 多目标优化；5) 性能评估与比较。对于RSU架构，引入了新的参数化方法，以确保工作空间的可行性。优化后的机构通过标量成本函数进行评估，该函数综合考虑了多个性能指标，例如力矩能力、能量消耗等。

关键创新：本文的关键创新在于：1) 提出了一种统一的并联踝关节机构设计与评估框架，能够系统性地比较不同架构的性能；2) 针对RSU架构，提出了一种新的参数化方法，能够有效约束设计空间，加速优化过程；3) 设计了一个标量成本函数，能够综合评估踝关节的多个性能指标。

关键设计：在多目标优化中，目标函数包括力矩能力、能量消耗、机构尺寸等。对于RSU架构的参数化，关键在于确保机构的工作空间包含所需的运动范围。标量成本函数的设计需要仔细权衡各个性能指标的重要性，通常采用加权求和的方式。具体的权重系数需要根据具体的任务需求进行调整。

📊 实验亮点

实验结果表明，优化后的RSU踝关节设计在成本函数上优于原始串行设计高达41%，并且优于传统设计的RSU踝关节14%。这表明该优化框架能够有效地提升踝关节的性能，并且优化后的RSU架构在性能上具有显著优势。这些结果验证了该方法的有效性和实用性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于人形机器人的设计与制造，尤其是在需要高精度、高效率地面交互的场景中，例如灾难救援、物流搬运、医疗康复等。优化后的踝关节设计能够提高机器人的运动性能、稳定性和安全性，从而扩展其应用范围和提升实用价值。未来，该方法可以推广到其他机器人关节的设计中。

📄 摘要（原文）

The design of the humanoid ankle is critical for safe and efficient ground interaction. Key factors such as mechanical compliance and motor mass distribution have driven the adoption of parallel mechanism architectures. However, selecting the optimal configuration depends on both actuator availability and task requirements. We propose a unified methodology for the design and evaluation of parallel ankle mechanisms. A multi-objective optimization synthesizes the mechanism geometry, the resulting solutions are evaluated using a scalar cost function that aggregates key performance metrics for cross-architecture comparison. We focus on two representative architectures: the Spherical-Prismatic-Universal (SPU) and the Revolute-Spherical-Universal (RSU). For both, we resolve the kinematics, and for the RSU, introduce a parameterization that ensures workspace feasibility and accelerates optimization. We validate our approach by redesigning the ankle of an existing humanoid robot. The optimized RSU consistently outperforms both the original serial design and a conventionally engineered RSU, reducing the cost function by up to 41% and 14%, respectively.