机器人DURUS为何要穿鞋子？

DURUS 是一个由美国佐治亚理工学院研发的人形机器人，而它脚上那双看起来像溜冰鞋的装置，是实现其世界级行走能力的核心关键，这个组合让 DURUS 成为当时（2025年左右）在行走方面最接近人类的人形机器人之一。

DURUS 机器人本身

DURUS 的名字来源于 "Dynamic Upright Robotic Upright System"（动态直立机器人系统）。

• 研发机构：佐治亚理工学院。
• 核心特点：它的设计理念是模仿人类的行走方式，追求高效、自然、节能的步态，与当时许多“僵硬”地移动的机器人不同，DURUS 的动作非常流畅，甚至有点“优雅”。
• 技术亮点：
  • 全身运动控制：它不仅仅控制腿部，而是将整个身体（躯干、手臂、腿部）作为一个整体来协调运动，就像人类走路时上半身也会摆动一样。
  • 拟人化设计：它的关节、连杆和传动系统都经过精心设计，以模仿人类骨骼和肌肉的结构和功能。
  • ZMP（零力矩点）控制：这是高级人形机器人保持平衡的关键技术，DURUS 能够精确计算并控制其身体的动态，确保在行走时，地面反作用力的合力始终落在支撑脚的支撑多边形内，从而防止摔倒。

那双“鞋子”——足部力传感器与执行器

这双看起来像溜冰鞋的“鞋子”是 DURUS 的秘密武器，它远不止是一双普通的鞋子，我们可以把它分解成两个核心部分：

A. 足部力传感器

这是“鞋子”的“脚底板”，也是机器人感知世界的基础。

• 功能：它是一个高精度的六维力/力矩传感器，这意味着它能够同时测量三个方向的力（前后、左右、上下）和三个方向的力矩（扭转、侧翻、俯仰）。
• 重要性：
  • 感知地面反作用力：当 DURUS 脚踩在地上时，这个传感器能实时精确地感受到地面给脚多大的力，以及这个力的方向和作用点。
  • 实现动态平衡：有了这些数据，机器人的“大脑”才能知道身体是否倾斜、是否失去平衡，并实时调整下一步的动作，就像我们人一样，脚底板能感觉到地面的情况，从而保持稳定。
  • 步态规划的基础：这些力数据是机器人规划下一步如何抬腿、迈步、用多大力气蹬地的根本依据。

B. 驱动执行器

这是“鞋子”的“关节”，直接连接在机器人的脚踝上。

• 功能：这是一个高度集成的执行器，它包含了电机、减速器、编码器和控制器，它负责驱动机器人的踝关节进行背屈/跖屈（勾脚尖/绷脚尖）和内翻/外翻（脚内扣/外撇）。
• 重要性：
  • 实现“脚跟着地”到“脚尖离地”：人类走路时，脚后跟先着地，然后重心前移，最后用脚尖蹬地发力离开，DURUS 踝关节的精确控制，完美地模仿了这个过程，这使得它的步态非常自然、高效。
  • 吸收和释放能量：在脚跟着地时，踝关节可以像弹簧一样吸收冲击能量；在脚尖蹬地时，又能释放能量，为身体提供前进的动力，这大大节省了能耗。
  • 适应不平地面：通过主动控制踝关节，机器人可以微调脚的姿态，以适应略微不平的地面，增强稳定性。

DURUS + 鞋子 = 卓越的行走能力

将 DURUS 机器人和它的“鞋子”结合起来，我们可以看到其工作原理：

1. 感知：脚底的力传感器实时收集地面作用力的数据。
2. 决策：机器人的主控制器根据这些数据和预设的步态算法，计算出保持平衡和前进所需的身体姿态和下一步动作。
3. 执行：控制器命令踝关节执行器精确调整脚的角度和姿态，同时驱动腿部其他关节完成迈步动作。
4. 循环：这个过程以极高的频率（每秒数百次）不断循环，从而实现了稳定、流畅、节能的行走。

为什么它如此重要？

在 DURUS 出现之前，很多人形机器人要么步态僵硬、能耗极高，要么只能在完美平坦的地面上行走，DURUS 项目展示了通过高度拟人化的设计和精密的传感-控制-执行一体化，人形机器人可以做到像人一样自然、高效地行走，这为未来服务机器人、灾难救援机器人等在复杂现实世界中应用奠定了坚实的基础。

当人们谈论“机器人穿鞋子 DURUS”时，实际上是在谈论一个完整的、先进的机器人足部系统，这个系统是 DURUS 机器人卓越行走能力的灵魂所在。

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