（6-2）手部、足部与末端执行器设计：足部结构

6.2 足部结构

抓取能力是人形机器人手部功能的核心体现，而不同任务对抓取方式的要求存在显著差异。仿生手设计中，通常将抓取类型划分为精细抓取（Precision Grip）与包裹抓取（Power Grip）两大类。二者在受力模式、关节协同方式以及结构设计重点上均存在本质区别，是决定机器人操作能力边界的重要因素。

6.2.1 足底传感器

足底传感器是人形机器人与地面交互的核心"感知末梢"，其核心功能是采集足底与地面接触过程中的力、接触状态、地形特征等多维度信息，为步态控制、平衡调节、地形适配提供实时数据支撑，是机器人实现稳定行走、适应复杂地面环境的关键感知组件。

1. 核心感知维度与工作原理

足底传感器的感知能力围绕"机器人-地面交互的核心需求"展开，主要包含以下三类核心感知功能：

（1）力觉感知：平衡与步态的核心依据

力觉感知是足底传感器的基础功能，其核心功能通过分布式压力传感器（常用压阻式、电容式）或六维力/力矩传感器实现，具体说明如下所示。

1. 分布式压力传感器通常以阵列形式布置于足底不同区域（如脚跟、足弓、脚尖），可实时采集各区域的压力分布数据------其核心作用是判断机器人的重心位置（如压力中心偏移量）、地面反作用力大小，以及步态阶段（如"脚跟落地-全掌支撑-脚尖离地"的切换）。例如，当机器人站立时，压力阵列数据均匀分布，说明重心处于稳定状态；行走时，压力分布的动态变化可辅助控制算法调整步幅与步速。
2. 六维力/力矩传感器（集成于足踝与足底之间）可以同时检测三维空间内的力（垂直地面的支撑力、水平方向的摩擦力）与三维力矩（地面对足底的扭转力矩），其作用是感知地面的"力学反馈"------如机器人踩在斜坡上时，传感器检测到的倾斜力矩会触发控制算法调整身体姿态，避免倾倒；行走时检测到的水平摩擦力变化，可辅助判断地面的防滑性能。

（2）接触与滑觉感知：安全行走的防护屏障

接触与滑觉感知聚焦"避免踩空、防止滑倒"的安全需求，具体说明如下所示。

1. 接触感知通过柔性触觉开关或薄膜传感器实现，可实时检测足底与地面的接触区域、接触状态（如"完全接触""部分悬空"）。例如，机器人上下楼梯时，接触传感器可判断脚是否完全踩实台阶表面，避免因脚未落地而失去支撑；行走过程中若检测到足底局部悬空，控制算法会快速调整脚的落地位置，防止绊倒。
2. 滑觉感知通常集成于压力传感器阵列中（通过压力分布的突变特征），或通过摩擦系数检测单元实现，其核心是感知足底与地面之间的摩擦力大小。例如，在光滑的瓷砖地面，传感器检测到摩擦力低于安全阈值时，机器人会自动减慢行走速度、缩小步幅，同时增加足底与地面的接触面积，降低滑倒风险。

（3）地形感知：复杂环境的适配基础

地形感知旨在让机器人"识别地面特征，自适应调整步态"，通常通过微型位移传感器、惯性测量单元（IMU）与力觉数据融合实现，微型位移传感器（如布置于足底边缘的微型测距模块）可以探测脚下的凹凸障碍物（如小石子、台阶边缘），提前触发脚的避障或姿态调整；

结合IMU的姿态数据与压力分布的变化，可以感知地面的坡度、平整度（如斜坡、草地、坑洼路面）------例如，行走在倾斜地面时，传感器检测到的地形倾角会让机器人调整脚的落地角度与身体倾斜程度，确保足底与地面贴合；在不平整的户外草地，传感器数据可以辅助控制算法调整步长与抬脚高度，避免硌脚或失稳。

2. 核心特性

作为机器人足部的"嵌入式感知组件"，足底传感器需要满足以下技术要求：

1. 微型化与集成化：足底空间有限，传感器需以薄膜、阵列形式集成，兼顾感知范围与安装空间（例如分布式压力阵列的单个传感单元尺寸通常≤5mm×5mm）；

2. 高灵敏度与抗干扰性：行走过程中足底会承受冲击、振动，传感器需具备高灵敏度（压力检测精度通常≤1N）与抗干扰能力，避免冲击导致数据失真；

3. 耐用性：需耐受长期的压力循环、摩擦与环境侵蚀（如灰尘、水渍），通常采用耐磨聚合物（如聚酰亚胺）作为封装材料，使用寿命需覆盖机器人万次以上的步态循环；

4. 多传感器融合：单一传感器的信息存在局限性，需通过算法将压力、接触、地形数据融合，提升感知结果的准确性与可以靠性。

5. 在足部系统中的作用

足底传感器的感知数据直接支撑了足部结构的核心功能，具体说明如下所示。

1. 为足踝的柔性调整提供依据（如根据地形倾角调整足踝的偏转角度）；

2. 辅助步态控制算法实现"自适应步幅、步速"；

3. 作为平衡控制系统的"反馈源"，实时修正机器人的重心位置，避免倾倒。

4. 典型设计方案：基于电感位移传感的可重构多轴力足底传感器

该方案引自论文《A Fully Integrated, Reconfigurable Multi-Axis Force Sensor via Inductive Displacement Sensing》，发表于《IEEE Sensors Journal》，针对传统足底多轴力传感器"功能固定、成本高、集成性差"的痛点，提出一种完全集成、可重构的电感式多轴力传感器，核心适配人形机器人足底对"高精度力觉感知、空间兼容性、场景灵活性"的需求，是当前足底力觉传感的典型创新设计。

（1）设计原理与结构特点

传感器采用"非接触电感位移传感"技术，核心结构由PCB线圈阵列与金属靶标组成，无需机械或电气直接连接：

1. 力-位移转换：足底承受的地面反作用力（垂直支撑力、水平摩擦力）与力矩（扭转、倾斜力矩），会驱动金属靶标产生微小位移或旋转；
2. 电感检测：PCB线圈阵列通过感知金属靶标位移引发的电感变化，间接计算出多轴力/力矩大小，避免传统应变片传感器"接触式测量易磨损、需外部放大"的缺陷；
3. 集成化设计：将CAN-FD信号处理模块直接集成于PCB板，无需额外数据采集（DAQ）系统，可实现最高4kHz的高速数据采集，满足机器人步态控制的实时性需求（步态周期内需多次采样ZMP位置）。

（2）核心优势：可重构与高性能兼顾

该设计完美匹配足底传感器的"微型化、高可靠性、场景适配性"要求，关键性能与特性如下所示：

1. 可重构功能：仅需更换金属靶标的结构配置（如调整靶标形状、安装角度），即可实现"三轴力感知"与"z轴力+x/y轴力矩感知"的切换，无需改动传感器主体------例如，在平坦路面行走时启用"全维度力觉感知"以计算ZMP，在斜坡行走时切换为"力矩优先感知"以重点监测倾斜风险；
2. 超高精度与稳定性：原型测试显示，传感器三轴力感知分辨率达1mN（仅为满量程的0.005%），20N负载下最大误差≤1.9%，串扰误差（轴间干扰）≤5.7%，且10小时连续工作漂移极小，可稳定支撑机器人万次以上步态循环。其实际测量效果可通过论文中的实验图体现，如图6-7所示。

图6-7 传感器力与力矩测量的实验演示

在图中，(a)为传感器实物与加载位置示意图，(b)(c)为不同加载位置下的力（Fz）、力矩（Tx、Ty）测量曲线；曲线与实际负载匹配度极高，最大误差仅0.6%，直观体现了该传感器在多区域受力场景下的高精度感知能力，这与人形机器人足底"脚跟、足弓、脚尖分区受力"的感知需求高度契合）

（3）足底场景适配价值

在人形机器人足底系统中，该传感器可直接替代传统六维力传感器，核心作用如下所示。

1. 实时计算ZMP（零力矩点）：通过多轴力/力矩数据，精准判断机器人重心偏移，为平衡控制算法提供核心反馈；
2. 地面力学特性识别：检测水平摩擦力变化以判断地面防滑性能（如瓷砖、木地板），触发步速、步幅调整；
3. 复杂地形适配：在台阶、小坡度路面，通过力矩感知辅助足踝调整偏转角度，确保足底与地面贴合，避免失稳。

总而言之，足底传感器是机器人"感知地面、适应地面"的核心载体，其感知能力直接决定了机器人行走的稳定性与环境适应性。

6.2.2 足踝柔性设计

足踝作为人形机器人下肢的核心"柔性枢纽"，连接足底与小腿，其柔性设计的核心目标是通过结构、驱动与材料的协同优化，模拟人类足踝的缓冲、自适应与姿态调整功能，实现机器人在不同地形行走时的冲击缓冲、地形适配与姿态稳定，是保障行走平顺性与安全性的关键设计环节。

1. 设计目标

足踝柔性设计需精准匹配机器人行走的核心需求，聚焦于如下所示的三大核心目标：

1. 冲击缓冲：机器人行走、跑步或跳跃落地时，足踝需通过柔性形变吸收地面反作用力（落地冲击可以达自身重量的2~3倍），减少冲击向小腿、躯干传导，避免核心部件（电机、骨架）因高频冲击受损，同时降低行走噪音；

2. 地形自适应：面对不平坦地形（如斜坡、台阶、小坑洼），足踝需具备一定的柔性偏转能力，自动调整足底与地面的接触角度，确保足底尽可以能全掌贴合地面，提升支撑稳定性；

3. 姿态微调：行走过程中，通过足踝的柔性微调（如前后倾、左右摆），配合足底传感器数据，实时修正机器人重心偏移，避免行走时"晃动"或"倾倒"，保障步态流畅性。

4. 实现方式

足踝柔性设计的核心是"在刚性支撑基础上，通过可以控或被动的柔性结构，平衡支撑强度与柔性适配能力"，在人形机器人设计工程中的主流实现方式分为如下三类。

（1）机械结构型柔性（被动柔性，核心基础）

通过在足踝关节集成柔性机械结构，实现被动的缓冲与地形适配，结构简单、可靠性高，是最常用的基础方案，具体说明如下所示。

1. 串联弹性元件：在足踝转动轴或连接部位串联弹性元件（如螺旋弹簧、碟形弹簧、柔性橡胶垫），落地时弹性元件压缩形变吸收冲击能量，抬脚时弹性回弹辅助复位。例如，在足踝上下关节之间加装硅胶弹性垫（邵氏硬度40~60A），可以实现3~5mm的轴向缓冲位移，同时允许±5°的偏转角度，适配轻微不平地形；
2. 球面关节结构：采用"球面轴承+限位结构"设计，模拟人类足踝的多向转动能力，允许足踝在前后倾（背屈/跖屈）、左右倾（内翻/外翻）方向实现±8°~±12°的柔性偏转，确保足底在斜坡、台阶等地形上能自然贴合地面，避免局部悬空；
3. 平行四边形柔性连杆：通过平行四边形连杆机构连接足踝与小腿，连杆端部采用弹性铰链（如聚氨酯弹性体），既保证足踝的柔性偏转，又能通过连杆约束避免过度偏转（机械限位保护），兼顾柔性与结构稳定性。

（2）驱动补偿型柔性（主动柔性，精准调控）

结合驱动单元与传感器，通过主动控制实现"柔性可调"，弥补被动柔性的适配局限，提升复杂场景的适应性，具体说明如下所示。

1. 核心逻辑：在足踝关节配置微型驱动电机（如空心杯电机、微型舵机）与角度/力矩传感器，实时采集足底压力分布、地面反作用力数据，通过控制算法动态调整驱动电机的输出扭矩，改变足踝的柔性刚度（如平地行走时增大刚度保证支撑，崎岖地形时降低刚度提升适配）；
2. 典型应用：当机器人踩在小石子等凸起物上时，足底传感器检测到局部压力突变，驱动电机立即微调足踝偏转角度（如内翻/外翻），让足底其他区域贴合地面，同时降低局部支撑刚度，避免凸起物导致重心偏移。

（3）材料选型型柔性（辅助增强，提升适配性）

通过足踝关键部件的材料选型，强化柔性与缓冲效果，配合机械结构进一步提升性能，具体说明如下所示。

1. 足踝外壳/连接件：选用高韧性、低模量的材料（如TPU、弹性合金、碳纤维增强弹性体），替代刚性金属材料，通过材料自身的弹性形变辅助缓冲冲击，同时降低足踝整体重量；

2. 足底-足踝过渡层：在足底与足踝连接处增设柔性缓冲垫（如EVA泡棉、硅胶夹层），厚度3~8mm，既增强缓冲效果，又能填充足底与足踝的装配间隙，提升力传递的平顺性。

3. 技术要求

足踝柔性设计需平衡"柔性"与"支撑性"，避免柔性过度导致结构失稳，核心技术要求如下所示。

1. 柔性范围可控：前后倾（背屈/跖屈）柔性角度需达到±10°~±15°，左右倾（内翻/外翻）达到±8°~±12°，轴向缓冲位移3~8mm，覆盖日常行走与轻微复杂地形的适配需求；

2. 刚度可调性（主动柔性方案）：刚度调节范围需达到5~20N・m/rad，可以根据地形（平地/崎岖）、运动状态（行走/跑步）动态切换，兼顾支撑强度与适配性；

3. 耐用性与抗疲劳：需耐受万次以上步态循环的冲击与形变，弹性元件（如弹簧、橡胶垫）需选用抗疲劳材料，避免长期使用后出现弹性衰减；

4. 轻量化与集成化：足踝作为下肢末端部件，重量需控制在200~500g以内，柔性结构需与驱动单元、传感器（如角度传感器、力矩传感器）集成设计，避免占用过多空间；

5. 机械限位保护：设置机械限位结构，限制足踝最大偏转角度（如前后倾不超过±15°），避免过度偏转导致驱动单元损坏或步态失控。

6. 作用与价值

足踝柔性设计通过"被动缓冲+主动适配"的协同作用，为机器人行走提供核心支撑，其价值主要体现在如下所示的几个方面。

1. 提升行走稳定性：通过柔性适配地形，确保足底全掌贴合地面，增大支撑面积，减少重心偏移风险，让机器人在不平坦地面也能稳定行走；

2. 降低冲击损伤：吸收落地冲击能量，减少冲击向小腿、躯干及核心部件（电机、减速器）的传导，延长机器人使用寿命；

3. 优化步态流畅性：模拟人类足踝的自然运动轨迹，让行走、转弯、上下台阶等动作更平顺，降低控制算法的复杂度；

4. 增强环境适配能力：拓宽机器人的适用场景，从平整的家庭/办公地面，延伸至轻微崎岖的户外路面（如草地、小斜坡）。

5. 典型策略：人形机器人脚踝并行结构

（1）研究背景与问题动机

传统人形机器人足踝多采用串联关节结构，其在工程应用中暴露出三类核心问题：

1. 柔性不足：刚性串联链难以实现自然的被动偏转；
2. distal质量过大：驱动电机与减速器直接布置于足踝，显著增大转动惯量；
3. 动态响应慢、冲击集中：依赖弹性元件缓冲，地形适配能力有限。

针对上述痛点，论文《A Framework for Optimal Ankle Design of Humanoid Robots》提出以并行机构（Parallel Mechanism）为核心的足踝设计策略，通过机械拓扑优化在结构层面实现"刚性支撑+柔性适配"的统一。

（2）核心设计逻辑与架构选型

并行结构的核心优势在于"重部件近端布置+多链协同传动"：将体积大、重量高的驱动单元（电机、减速器）安装于小腿（近端），而非足踝（distal），既降低足踝负载与运动惯性，又通过多kinematic链的扭矩分担提升力传递效率；同时，并行机构的闭环特性可通过机械结构天然实现"有限柔性偏转"，无需额外增加复杂弹性元件，完美匹配足踝"刚性支撑+柔性适配"的双重需求。

论文聚焦两种代表性并行架构，适配不同驱动与场景需求：

1. SPU架构（线性驱动）由"球铰（S）-移动副（P）-万向节（U）"组成三腿式并行结构（图6-8中间），其中两条外侧腿为驱动腿（线性电机驱动移动副伸缩），中央腿为万向节（U₀）提供旋转支撑。其核心特点是：通过线性驱动的精准位移控制，实现足踝滚转角（±35°）与俯仰角（-70°~30°）的平稳调节，力传递效率高（＞85%），适配平地快速行走、台阶上下等对运动精度要求较高的场景；但线性电机的安装空间需求较大，更适合体积约束宽松的工业级人形机器人。
2. RSU架构（旋转驱动）由"转动副（R）-球铰（S）-万向节（U）"组成三腿式并行结构（图6-8右侧），两条外侧腿为驱动腿（旋转电机驱动曲柄转动），中央腿仍为万向节（U₀）。其核心优势是：采用低减速比行星齿轮箱（9:1~19:1），回驱性高（需克服的静态摩擦力矩＜0.5Nm），机械柔顺性显著优于 SPU；同时旋转电机体积更小，可集成于小腿内部，适配消费级、服务级人形机器人的紧凑空间需求。论文通过实验验证，优化后的 RSU 架构在冲击缓冲与地形适配能力上，比传统串联足踝提升41%，比常规设计的RSU提升14%。

图6-8 足踝机构架构对比

两种并行架构的具体运动学结构可通过图6-9直观理解，图中(a)为SPU机构、(b)为RSU机构，标注的1-4对应核心部件：1-shin（小腿）、2-foot（足）、3-驱动执行部件（SPU为slider滑块/RSU为crank曲柄）、4-传动部件（SPU为linear guide直线导轨/RSU为rod连杆））。

(a)SPU机构 (b)RSU机构

图6-9 SPU与RSU的运动学图解

（3）关键优化方法：参数化与多目标迭代

为解决并行机构"参数多、优化难、workspace易出现奇异点"的问题，论文提出两大核心优化手段，确保足踝柔性与性能平衡：

1. RSU架构参数化重构：通过引入 γᵢ（曲柄长度参数）与 δᵢ（连杆长度参数），将曲柄长度定义为：

c i ( γ i )= 1 1- γ i ci,min

（γᵢ∈[0,1]，γᵢ=0 时为最小曲柄长度），

将连杆长度定义为：

r i ( δ i )=(1- δ i ) r i,min + δ i ri,max

（δᵢ∈[0,1]）。

该参数化设计可确保足踝在全工作空间（滚转角±35°、俯仰角-70°~30°）内无奇异点，避免柔性偏转时出现卡滞，如图6-8中RSU架构的灰色区域（可行域）完全覆盖红色工作区（需求域）。

1. 多目标优化策略：以"最小化峰值驱动力（f₁）"与"最小化峰值驱动速度（f₂）"为目标，结合足踝的 7 项核心性能指标（速度、扭矩、回驱扭矩、可操作度比、紧凑性、驱动质量、质心高度），通过NSGA-II 算法生成 Pareto 最优解，最终选择"Synapticon ACTILINK JD 10旋转电机"搭配RSU架构的方案------其回驱扭矩仅 0.3Nm，可操作度比接近1.2（接近各向同性），能实现±12°的柔性偏转，完全满足不平坦地形的自适应需求。

（4）工程价值与适配场景

该并行结构策略的核心价值在于 "用机械拓扑优化替代部分主动控制"，既降低了驱动与控制的复杂度，又提升了足踝的固有柔性：

1. 适配场景：服务型机器人（家庭、医疗）的平地/轻微崎岖路面行走、工业机器人的重物搬运（需刚性支撑 + 冲击缓冲）、户外机器人的小斜坡（20%倾角）自适应；
2. 工程落地性：所有架构均采用商用电机与标准连杆，无需定制化部件，量产成本比定制柔性关节低 30%~40%，且通过参数化设计可快速适配不同尺寸的人形机器人（身高1.2~1.8m）。

总之，该并行结构方案为足踝柔性设计提供了"性能-成本-复杂度"平衡的系统性路径，尤其RSU架构已在Tesla Optimus、Unitree G1 等主流人形机器人中落地应用，成为行业标杆技术。

总之，足踝柔性设计是人形机器人下肢系统中"刚性支撑与柔性适配"的核心平衡点，通过被动机械结构（弹性元件、球面关节）实现基础缓冲与地形贴合，结合主动驱动补偿完成精准姿态调控，辅以柔性材料强化适配与减震效果，最终达成 "冲击吸收、地形自适应、步态稳定" 的核心目标。这一设计不仅让机器人行走更平顺、损伤风险更低，更拓宽了其从平整室内到轻微复杂户外的场景适配能力，是人形机器人从实验室原型走向实际应用的关键柔性化设计环节之一。

6.2.3 稳定与平衡的结构考虑

在人形机器人设计应用中，足部稳定与平衡的结构设计，核心是通过足部形态、支撑方式、刚度匹配等硬件层面的优化，为机器人站立、行走及复杂步态提供"底层结构支撑"------本质是模拟人类足部的平衡机制，通过扩大支撑边界、均匀受力分布、引导重心轨迹，从根源上降低失衡概率，同时为传感器与平衡控制算法提供充足的"稳定裕度"，是机器人实现动态平衡的基础前提。

1. 核心设计逻辑

稳定与平衡的核心矛盾是"重心投影是否落在支撑面内"，结构设计需围绕"让重心稳定落在支撑边界内、减少重心波动"展开，形成了"支撑面扩大→受力均匀化→重心平稳引导"的闭环逻辑，具体说明如下所示。

1. 扩大支撑边界：通过足部形态设计，增大足底支撑面积与稳定裕度，降低重心偏移出支撑面的风险；

2. 受力均匀化：通过结构优化分散地面反作用力，避免局部受力集中导致的打滑或姿态波动；

3. 重心平稳引导：通过足部结构引导步态过程中压力中心（COP）的自然移动，减少重心突变引发的失衡。

4. 核心设计要点

（1）支撑面优化：扩大稳定基础的核心设计

支撑面是人形机器人平衡的"根基"，在进行结构设计时需要聚焦"扩大有效支撑范围、提升地面贴合度"，具体说明如下所示。

1. 宽基底形态设计：借鉴人类足部"前后端宽、中间收窄"的轮廓，机器人足底采用"前端脚尖宽≥5cm、后端脚跟宽≥6cm"的宽基底设计，相较于窄基底结构，稳定裕度可提升30%以上，显著降低静态站立时的倾倒风险；同时，足底边缘采用全圆角处理（圆角半径R3~R5），既避免尖锐边缘硌绊或划伤地面，又能在行走时减少与地面的接触冲击，提升步态平顺性。
2. 分区域支撑划分：将足底明确划分为"脚跟、足弓、脚尖"三个独立支撑区域，每个区域通过结构强化保证承载能力------脚跟区域承担站立与落地时的主要垂直载荷，需采用刚性稍高的支撑结构；足弓区域负责力的过渡与分散；脚尖区域承担推进阶段的蹬地发力，需具备一定的弹性与防滑性。这种设计确保步态各阶段（脚跟落地-全掌支撑-脚尖离地）均有稳定的支撑面，避免单区域受力导致的重心偏移。
3. 地形适配型支撑结构：针对不平坦地形，在足底边缘增设"柔性支撑翼"（采用TPU材质，厚度3~5mm），当机器人行走在轻微斜坡或小凸起路面时，柔性支撑翼可被动形变，让足底尽可能全掌贴合地面，弥补刚性支撑面的适配局限，扩大有效支撑范围。

（2）仿生足弓结构：实现"承重-缓冲-力分散"的核心枢纽

借鉴人类足弓的生理功能，机器人足部集成仿生足弓结构，核心作用是通过弹性形变实现力的分散与缓冲，间接维持重心稳定：

1. 柔性足弓的结构形式：采用"弹性支撑件+承重骨架"的复合结构，弹性支撑件选用高韧性、抗疲劳的材料（如碳纤维弹簧、邵氏硬度50~60A的TPU支撑柱），替代传统的刚性平板结构；承重骨架采用铝合金或碳纤维材质，保证足弓的基础承载能力。
2. 核心作用：当机器人站立或行走时，足弓在垂直载荷作用下产生3~5mm的轻微弹性形变，将地面反作用力从脚跟和脚尖向整个足底分散，避免局部压强过大导致的打滑；同时，弹性形变可吸收部分落地冲击，减少冲击导致的姿态波动；在不平坦地形上，足弓的柔性形变能自适应地面凹凸，让足底压力分布更均匀，间接维持重心稳定。
3. 结构约束设计：为避免足弓过度形变导致失稳，在弹性支撑件两侧设置刚性限位块，限制足弓的最大形变量（≤8mm），确保足弓在"柔性缓冲"与"刚性支撑"之间平衡。

（3）刚度匹配设计：足部与下肢的协同平衡保障

足部稳定并非孤立存在，需与下肢结构（小腿骨架、足踝）形成刚度协同，避免局部刚度差异过大导致力传递不均，引发姿态波动：

1. 足部自身的"外硬内柔"刚度梯度：足部外壳与支撑骨架采用刚性材料（铝合金、碳纤维），保证整体承载能力；内部缓冲层（足底与支撑骨架之间）采用柔性材料（EVA泡棉、硅胶），厚度2~4mm，形成"外硬内柔"的刚度梯度。这种设计既避免了纯刚性结构的冲击传导，又防止了纯柔性结构的支撑不足，让受力传递更平顺。
2. 足部与下肢的连接刚度适配：在足踝与小腿的连接部位增设弹性衬套（如聚氨酯弹性体），允许±3°的微小偏转与2~3mm的轴向缓冲位移，使足部与下肢的受力过渡更柔和；同时，小腿骨架的刚度需与足部支撑刚度匹配（如小腿采用空心铝合金管，刚度略高于足部支撑刚度），避免局部刚度突变导致的力集中，确保步态过程中下肢与足部的协同稳定。

（4）重心引导结构：保障压力中心的平稳移动

在人形机器人的步态设计过程中，压力中心（COP）的平稳移动是维持动态平衡的关键，结构设计需通过足部形态优化，引导压力中心沿自然轨迹移动：

1. 微弧形接触面设计：将足底支撑面设计为"前后向微弧形"（弧度半径50~80mm），使步态过程中压力中心能沿"脚跟→足弓→脚尖"的连续轨迹平稳移动，避免压力中心突然跳跃（如从脚跟直接跳至脚尖）引发的重心晃动；同时，微弧形结构可减少行走时足底与地面的摩擦阻力，提升步态流畅性。
2. 防滑与辅助支撑设计：在足底支撑区域增设"防滑凸点"（材质为耐磨TPU，高度1~2mm，间距3~5mm），一方面提升足底与地面的摩擦系数，避免打滑导致的重心偏移；另一方面，当重心轻微偏移时，防滑凸点可提供额外的支撑力，延缓重心超出支撑边界的速度，为控制算法的姿态修正争取时间。

（5）机械限位与失稳兜底结构

为了应对极端工况（如突发碰撞、严重不平地形）导致的姿态波动，需设计机械限位结构作为"兜底保障"，避免过度失稳，具体说明如下所示。

1. 足踝偏转角度限位：在足踝关节处设置机械限位块，限制足踝的最大偏转角度------前后倾（背屈/跖屈）不超过±15°，左右倾（内翻/外翻）不超过±12°，防止足踝过度偏转导致足底悬空，引发严重失衡。
2. 防侧翻兜底结构：在足底两侧边缘设置"防侧翻挡边"（高度5~8mm，材质为刚性铝合金），当机器人向一侧倾斜、重心接近支撑边界时，防侧翻挡边可与地面接触，形成临时支撑点，扩大支撑边界，为控制算法调整身体姿态争取时间，避免直接侧翻。
3. 过载缓冲限位：在足底承重核心区域（脚跟、脚尖）集成过载缓冲结构（如碟形弹簧+限位柱），当承受超出额定载荷的冲击时（如跳跃落地），缓冲结构压缩形变吸收冲击能量，同时限位柱限制最大形变量，避免足部结构因过载损坏导致的失稳。

例如在论文《A Framework for Optimal Ankle Design of Humanoid Robots》提供的方案中，如图6-10所示，以RSU并行架构为核心，通过γᵢ（曲柄长度）与δᵢ（连杆长度）的参数化重构，在"滚转角±35°、俯仰角-70°~30°"的全工作空间内构建无奇异点的姿态可行域（图中灰色区域），并确保其完全覆盖机器人稳定行走所需的核心姿态范围（图中红色区域）；同时将驱动单元近端布置以降低足踝惯性，搭配低减速比减速器强化回驱性，让足踝在不平地形或动态行走时能快速柔性偏转，通过均匀的力传递（可操作度比接近1.2）维持重心在支撑多边形内，避免卡滞或重心突变导致的失衡，最终实现平地、斜坡、台阶等多场景下的稳定平衡。

图6-10 足踝姿态可行域与稳定需求匹配图

总之，人形机器人的足部稳定与平衡的结构设计，本质是通过"扩大支撑边界、均匀受力分布、引导重心轨迹、协同刚度匹配"的综合优化，为机器人提供充足的"结构稳定裕度"。这种设计不仅能从根源上降低失衡概率，减少传感器与控制算法的调节压力，还能提升机器人对复杂地形（如轻微斜坡、坑洼路面）的适配能力，是机器人实现静态稳定站立、动态流畅行走及复杂步态（如上下台阶、转弯）的核心硬件保障。