DecARt Leg: Design and Evaluation of a Novel Humanoid Robot Leg with Decoupled Actuation for Agile Locomotion

📄 arXiv: 2511.10021v1 📥 PDF

作者: Egor Davydenko, Andrei Volchenkov, Vladimir Gerasimov, Roman Gorbachev

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-13

💡 一句话要点

提出一种解耦驱动的人形机器人腿部DecARt Leg，用于敏捷运动

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 人形机器人 机器人腿部设计 解耦驱动 敏捷运动 准伸缩结构

📋 核心要点

  1. 现有机器人腿部设计在敏捷性和拟人化方面存在局限性，难以实现复杂地形下的快速稳定运动。
  2. DecARt Leg采用解耦驱动和准伸缩结构，结合多杆踝关节扭矩传递，旨在提升敏捷性和运动范围。
  3. 通过FAST指标评估和仿真实验，验证了DecARt Leg在敏捷运动方面的潜力，并进行了初步硬件实验。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新型的电动机器人腿部设计，称为DecARt（解耦驱动机器人）腿，旨在实现敏捷的运动。该设计包含几个新特性，例如使用具有旋转电机的准伸缩运动学结构来实现解耦驱动，具有前向膝盖的近拟人腿部外观，以及一种新颖的多杆系统，用于从膝盖上方的电机传递踝关节扭矩。为了数值分析该设计的敏捷运动能力，我们提出了一种新的描述性指标，称为“最快可实现的摆动时间”（FAST），并对所提出的设计进行了定量评估，并将其与其他设计进行了比较。然后，我们通过广泛的仿真和初步的硬件实验评估了基于DecARt Leg的机器人的性能。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人腿部设计在敏捷运动和拟人化外观之间往往存在权衡。传统的串联弹性驱动器（SEA）虽然可以提供一定的柔顺性，但在高动态运动中可能存在响应延迟。此外，许多机器人腿部设计在踝关节扭矩传递方面存在效率问题，限制了其运动能力。因此，需要一种新的腿部设计，能够在保证敏捷性的同时，实现更高效的能量利用和更自然的运动模式。

核心思路：DecARt Leg的核心思路是通过解耦驱动来实现更精确的运动控制和更高的能量效率。具体来说，通过将腿部的不同关节的驱动电机进行解耦，可以避免电机之间的相互干扰，从而提高运动的响应速度和精度。此外，采用准伸缩结构可以减小腿部的惯性，从而提高其敏捷性。同时，通过多杆系统实现踝关节扭矩传递，可以提高能量传递效率。

技术框架：DecARt Leg的整体架构包括以下几个主要模块：1) 准伸缩运动学结构：采用旋转电机驱动的准伸缩结构，实现腿部的伸缩运动。2) 解耦驱动系统：将腿部的不同关节的驱动电机进行解耦，实现更精确的运动控制。3) 多杆踝关节扭矩传递系统：采用多杆系统将膝盖上方的电机扭矩传递到踝关节，提高能量传递效率。4) 控制系统：采用先进的控制算法，实现腿部的稳定和敏捷运动。

关键创新：DecARt Leg的最重要的技术创新点在于其解耦驱动和准伸缩结构的结合。这种设计可以有效地提高腿部的敏捷性和能量效率。此外，多杆踝关节扭矩传递系统也是一个重要的创新点，它可以提高能量传递效率，从而提高腿部的运动能力。另一个创新点是提出了FAST指标，用于量化评估机器人腿部的敏捷运动能力。

关键设计：DecARt Leg的关键设计包括：1) 准伸缩结构的参数优化，以实现最佳的运动范围和敏捷性。2) 解耦驱动系统的电机选择和控制策略，以实现最佳的运动控制精度和能量效率。3) 多杆踝关节扭矩传递系统的杆件尺寸和连接方式优化，以实现最佳的能量传递效率。4) 控制系统的参数调整，以实现腿部的稳定和敏捷运动。FAST指标的计算方法，包括摆动时间和步长等参数的设置。

📊 实验亮点

论文提出了FAST指标，并使用该指标对DecARt Leg进行了评估，结果表明DecARt Leg在敏捷运动方面具有显著优势。仿真实验验证了DecARt Leg在不同地形下的运动能力。初步的硬件实验也验证了该设计的可行性。

🎯 应用场景

DecARt Leg的设计可应用于人形机器人、外骨骼机器人等领域，尤其适用于需要高敏捷性和稳定性的场景，如灾难救援、复杂地形探索、以及辅助人类运动等。该研究为未来机器人腿部设计提供了新的思路，有望推动机器人技术在实际应用中的发展。

📄 摘要（原文）

In this paper, we propose a novel design of an electrically actuated robotic leg, called the DecARt (Decoupled Actuation Robot) Leg, aimed at performing agile locomotion. This design incorporates several new features, such as the use of a quasi-telescopic kinematic structure with rotational motors for decoupled actuation, a near-anthropomorphic leg appearance with a forward facing knee, and a novel multi-bar system for ankle torque transmission from motors placed above the knee. To analyze the agile locomotion capabilities of the design numerically, we propose a new descriptive metric, called the Fastest Achievable Swing Time (FAST), and perform a quantitative evaluation of the proposed design and compare it with other designs. Then we evaluate the performance of the DecARt Leg-based robot via extensive simulation and preliminary hardware experiments.