会踮脚、能跳高的“仿人腿”单腿机器人StaccaToe
StaccaToe 是一台身高约 1.2 m、重 16 kg 的人尺度电动单腿机器人，没有液压、没有弹簧/离合器，只靠 6 台电机和一条“仿人腿”就完成踮脚平衡和垂直跳跃。它的核心秘诀：主动脚趾 + 膝/踝/趾共驱（co-actuation）。
图1｜StaccaToe 整机与主要组件：6 个电机、2-DoF 踝关节、主动脚趾
两大仿生设计
主动脚趾：
给脚趾单独一个执行器，让脚底支撑面从整只脚缩到脚尖，实现真正的踮脚站立。 共驱构型：
膝、踝、趾执行器在蹬地阶段协同出力，让膝关节产生超过 100 N·m 力矩，比膝电机单独能力高约 25%。
图2｜与 HyperLeg 对比：更少的零件、更窄的腿、类人体腿部比例
硬件：从 HyperLeg 到独立机器人
零件更少：
大腿与小腿连杆合并，下半身零件数大幅减少，腿型更窄（膝宽减少 42 mm，踝宽减少 7 mm）。 拓扑优化：
大腿、小腿、足和传动连杆用 ANSYS 优化，减 14.78% 质量同时抗 600 N 冲击。 定制电源板：
两块 24 V 电池串联成 48 V，配合 MOSFET 高边开关，为跳跃瞬间大电流提供足够余量。
控制：轨迹优化 + WBIC
跳跃用单刚体动力学 + 完整运动学的轨迹优化生成离线轨迹；实时跟踪采用全身冲量控制（WBIC）。由于共驱让关节最大转矩随构型变化，优化中直接施加电机级转矩约束，而不是保守的力/关节级限幅。
实测：站得稳，也跳得起来
踮脚站立：
WBIC 让机器人从平脚平稳过渡到脚尖支撑，CoM 始终落在支撑多边形内。 垂直跳跃：
共驱让膝关节在蹬地相爆发输出超过 100 N·m，展示了仅靠电机就能做到的爆发力。 当前瓶颈：
电池母线压降限制了最大跳跃高度，团队正通过硬件升级进一步释放能力。
图3｜踮脚站立（Tiptoe Balance）：WBIC 跟踪下的身体与 CoM 位置
图4｜垂直跳跃：共驱使膝关节在蹬地相产生超过 100 N·m 力矩
结语
StaccaToe 证明：不依赖液压、弹簧或特殊储能机构，仅凭电动执行器与仿生设计，人尺度单腿机器人也能兼具稳定平衡与爆发跳跃。团队正在把这些成果移植到全新的人形机器人 PresToe 上，目标是让双足机器人既能稳定行走，又能冲刺和跳跃。
图5｜下一代人形机器人 PresToe：把脚趾与共驱技术拓展到全身
📚 来源说明
论文标题：StaccaToe: A Single-Leg Robot that Mimics the Human Leg and Toe（《一款模仿人类腿与脚趾的单腿机器人》）
作者：Nisal Perera, Shangqun Yu, Daniel Marew, Mack Tang 等（马萨诸塞大学阿默斯特分校 · KOREATECH）
机构：University of Massachusetts Amherst · Korea University of Technology and Education (KOREATECH)
出处：arXiv:2404.05039v1 [cs.RO]，2024-04-07（预印本）
译注：中文翻译由 AI 辅助完成，仅供学习交流，学术引用请以英文原文为准。
