Duke Humanoid是一个完全开源的双足机器人平台，由杜克通用机器人实验室推出。该平台创新性地利用了被动动力学设计，使得机器人能够高效地移动，并且能耗降低。
Duke Humanoid为开发者提供了双足机器人的硬件设计和相关的控制算法，方便开发者进行双足机器人的研究和开发。主要用于双足机器人的运动控制、步态规划、平衡控制等方面的研究。
一、主要特点
完全开源：这意味着其相关的设计、代码、技术文档等都向公众开放，能够让更多的研究者、开发者和爱好者参与到该机器人的研究和改进中，促进双足机器人技术的快速发展。
被动动力学设计：利用被动动力学原理，使机器人在运动过程中能够更高效地利用自身的重力和惯性等自然力量，从而降低了能量消耗。与传统的双足机器人相比，其能耗降低高达 31%，这对于提高机器人的续航能力和实际应用价值具有重要意义。
运动性能出色：在行走和动作执行方面具有较高的稳定性和流畅性，能够适应不同的地形和环境条件，为其在复杂场景下的应用提供了可能。
1. 硬件结构：
身体结构：具有类似人类的身体结构，包括躯干、头部、两条手臂和两条腿。这种类人化的设计使得机器人能够更好地模拟人类的动作和行为，提高其在与人类交互和执行任务时的适应性。
关节和驱动器：配备了高性能的关节和驱动器，以实现各个关节的灵活运动。这些关节和驱动器的设计和选型经过了精心的考虑，能够满足机器人在不同动作和任务下的力量、速度和精度要求。
传感器系统：搭载了多种传感器，如视觉传感器、力传感器、惯性传感器等。这些传感器能够为机器人提供周围环境的信息、自身的运动状态和与外界的接触力等数据，以便机器人能够实时感知和适应环境。
2. 软件系统：
控制系统：拥有先进的控制系统，能够对机器人的运动进行精确的控制和协调。该控制系统采用了先进的算法和控制策略，如模型预测控制、自适应控制等，以确保机器人在不同情况下的稳定运行。
学习算法：由于其开源的特性，开发者可以为其应用各种学习算法，使机器人能够不断地学习和改进自己的运动技能和行为模式。例如，可以通过强化学习算法让机器人在与环境的交互中不断优化自己的动作策略，提高其完成任务的能力。
二、研究成果
1. 高效的被动动力学设计：
能耗降低：这是该机器人平台的一项重要创新成果。通过对机器人的结构和运动方式进行优化设计，使其能够更高效地利用自身的重力和惯性等自然力量，相比传统双足机器人，能耗降低高达31%。这种设计不仅提高了机器人的续航能力，也为其在实际应用中的能源效率提供了优势，对于双足机器人的长期运行和广泛应用具有重要意义。
运动自然性：被动动力学设计使机器人的运动更加自然流畅。它能够更好地模拟人类的行走和动作模式，在行走过程中减少了不自然的停顿和颠簸，提高了机器人的运动稳定性和舒适性。这种自然的运动方式有助于机器人更好地适应各种复杂的环境和任务，提高其实际应用的可行性。
2. 先进的控制系统与运动规划算法：
精确的运动控制：杜克双足机器人平台拥有先进的控制系统，能够对机器人的各个关节和动作进行精确的控制和协调。通过对电机、驱动器等硬件设备的精准控制，以及对运动学和动力学模型的深入研究和应用，实现了机器人的高精度运动，使其能够完成各种复杂的动作和任务，如行走、跑步、上下楼梯、跨越障碍等。
智能的运动规划：在运动规划方面，研究人员开发了一系列智能算法，能够根据机器人的当前状态、环境信息和任务目标，自动规划出最优的运动路径和动作序列。这些算法考虑了机器人的动力学特性、地形变化、障碍物分布等因素，使机器人能够在复杂的环境中快速、准确地找到可行的运动方案，提高了机器人的自主决策能力和运动效率。
3. 强大的感知与环境适应能力：
多传感器融合：该机器人平台搭载了多种传感器，如视觉传感器、力传感器、惯性传感器等，通过多传感器融合技术，能够全面、准确地感知机器人周围的环境信息和自身的运动状态。例如，视觉传感器可以识别周围的物体、地形和人员等信息，力传感器可以感知机器人与地面的接触力和作用力，惯性传感器可以测量机器人的加速度、角速度等运动参数。这些传感器信息的融合为机器人的运动控制和决策提供了丰富的数据支持。
环境适应能力：基于强大的感知能力和智能算法，杜克双足机器人具有良好的环境适应能力。它能够根据不同的地形和环境条件，自动调整自己的运动方式和姿态，以保持稳定的行走和操作。例如，在不平坦的地面上，机器人可以通过调整脚步的落点和步伐的大小，来适应地形的变化；在遇到障碍物时，机器人可以通过感知和分析，选择合适的绕路或跨越方式，继续完成任务。
4. 开源平台与技术共享：
促进技术发展：作为一个完全开源的机器人平台，杜克双足机器人为全球的科研人员和开发者提供了一个宝贵的研究资源和技术交流平台。任何人都可以访问和使用该平台的相关代码、设计文档和技术资料，从而加速双足机器人技术的研究和发展。这种开源的模式有助于打破技术壁垒，促进全球范围内的技术合作和创新，推动双足机器人技术的快速进步。
培养人才：开源平台的存在也为机器人技术的人才培养提供了有力的支持。学生、研究者和开发者可以通过学习和使用杜克双足机器人平台，深入了解双足机器人的技术原理和实现方法，提高自己的技术水平和实践能力。这对于培养更多的机器人技术专业人才，满足未来机器人产业的发展需求具有重要意义。
三、不足之处
杜克双足机器人平台的一些不足之处：
1. 能源与续航问题：
电池容量有限：双足机器人的动作较为复杂，各关节的驱动以及传感器等部件的运行都需要消耗大量电能，而当前电池技术的能量密度有限，导致杜克双足机器人的续航时间可能较短，难以满足长时间工作的需求。这限制了它在一些需要持续作业的场景中的应用，比如长时间的巡逻、连续的科研实验等。
能源管理系统不够优化：在机器人的运行过程中，能源的分配和管理不够高效，可能存在能量浪费的情况。例如，在某些动作或状态下，机器人对能源的消耗没有得到有效的控制和优化，导致能源的利用率不高。
2. 运动性能与稳定性方面：
动作速度受限：尽管双足机器人在模仿人类行走方面已经取得了一定的进展，但与人类的运动速度相比，杜克双足机器人的动作速度仍然较慢。这是由于机器人的机械结构、控制系统以及驱动装置等因素的限制，使得它在快速运动时的响应速度和动作频率较低，影响了其在一些对速度有要求的场景中的应用，比如紧急救援、快速搬运等。
平衡控制仍有挑战：双足行走本身就是一个复杂的动态平衡过程，尽管杜克双足机器人在平衡控制方面已经有了一定的技术积累，但在面对复杂地形、外力干扰或突发状况时，仍然可能出现失去平衡的情况。例如，在不平整的地面上行走时，机器人可能会因为脚部受力不均而导致失衡摔倒；在受到侧面的外力撞击时，机器人的平衡恢复能力可能不够迅速和稳定。
3. 环境适应能力不足：
对地形的适应性有限：虽然双足机器人具有一定的越障能力，但对于一些复杂的地形，如崎岖的山路、松软的沙地、狭窄的通道等，杜克双足机器人可能仍然难以适应。其脚部的结构和行走方式可能无法在这些特殊地形上提供足够的稳定性和支撑力，导致机器人的行走困难甚至无法通行。
对环境温度、湿度等条件敏感：机器人内部的电子设备和机械部件对环境温度、湿度等条件有一定的要求。在极端的温度或湿度环境下，电子设备可能会出现故障，机械部件的性能也可能会受到影响，从而导致机器人的性能下降或无法正常工作。
4. 智能化与自主决策能力有待提高：
感知与认知能力有限：尽管配备了多种传感器，但杜克双足机器人在对环境的感知和认知方面仍然存在不足。对于一些复杂的环境信息，如物体的材质、形状、纹理等，机器人可能无法准确地识别和理解。这影响了它在与环境互动和执行任务时的判断和决策能力，例如在抓取物体、识别障碍物等方面可能会出现错误。
自主决策能力不够灵活：在面对复杂的任务和多变的环境时，机器人的自主决策能力显得不够灵活。它可能只能按照预设的程序和算法进行决策，缺乏对实际情况的综合分析和判断能力，难以做出最优的决策。这使得机器人在一些需要自主判断和决策的场景中，如自主导航、自主避障等，表现不够出色。
5. 成本高昂：
研发与制造成本高：双足机器人的研发需要大量的资金和技术投入，包括机械设计、控制系统开发、传感器研发等方面。同时，制造双足机器人所需的高精度零部件和先进的制造工艺也导致了其制造成本较高。这使得杜克双足机器人的价格昂贵，难以广泛应用于各个领域。
维护成本高：由于机器人的结构复杂，技术含量高，其维护和保养也需要专业的技术人员和设备，这增加了机器人的维护成本。而且，一些关键部件的更换和维修可能需要较长的时间和较高的费用，影响了机器人的正常使用。
四、应用前景
1. 科研与教育领域：
机器人技术研究：为科研人员提供了一个理想的实验平台，用于研究双足机器人的运动控制、动力学、平衡算法、感知与决策等关键技术。例如，研究人员可以通过该平台测试不同的控制算法对机器人行走稳定性和灵活性的影响，从而推动双足机器人技术的发展。
教学与培训：在高校和教育机构中，可用于机器人相关课程的教学演示和实践操作。学生可以通过学习杜克双足机器人的原理和操作，深入了解机器人技术的复杂性和挑战性，培养工程实践能力和创新思维。
2. 工业领域：
危险环境作业：可以在一些危险的工业环境中替代人类进行工作，如在高温、高压、有毒有害气体等环境下进行设备巡检、故障排查和维修等任务。由于双足机器人具有较高的灵活性和适应性，能够在复杂的工业环境中自由行走和操作，降低了人类工作人员的安全风险。
物流与仓储：在仓库和物流中心，杜克双足机器人可以进行货物的搬运、分拣和堆垛等工作。它可以根据预设的程序和指令，准确地识别货物的位置和信息，并进行高效的搬运操作，提高物流和仓储的自动化水平和工作效率。
3. 服务领域：
医疗保健：在医院和康复中心，可作为辅助医疗设备，帮助患者进行康复训练。例如，机器人可以根据患者的康复进度和身体状况，制定个性化的康复训练计划，并通过精确的动作控制和反馈，帮助患者恢复运动功能。此外，双足机器人还可以用于医院的物资运输和病房护理等工作，减轻医护人员的工作负担。
公共服务：在公共场所，如机场、车站、商场等，可作为引导员为人们提供信息咨询和导航服务。它可以通过语音识别和自然语言处理技术，与人们进行互动交流，解答人们的疑问，并引导人们到达目的地。
4. 娱乐领域：
影视拍摄：由于杜克双足机器人具有高度的灵活性和可操控性，可以在影视拍摄中担任演员或特效道具。例如，在科幻电影中，双足机器人可以扮演机器人角色，与人类演员进行互动和表演，为影片增添科技感和视觉效果。
主题公园：在主题公园中，双足机器人可以作为表演嘉宾，为游客带来精彩的表演和互动体验。例如，机器人可以展示舞蹈、武术、杂技等技能，吸引游客的关注和参与。
5. 探索与救援领域：
野外探索：在野外环境中，杜克双足机器人可以进行地形勘察、资源探测和科学研究等工作。它可以穿越复杂的地形和恶劣的环境，收集相关的数据和信息，为科学研究和资源开发提供支持。
灾难救援：在地震、火灾、洪水等灾难现场，双足机器人可以进入危险区域进行搜索和救援工作。它可以利用自身的传感器和通信设备，寻找被困人员的位置和生命迹象，并将信息传递给救援人员，提高救援效率和成功率。
