Multi-zone Functionalized Foot Sole Structure
Design for Robots
Authors: Chen Weidong, Chen Baolong | RobotSole
RobotSole | www.robotsole.com
Multi-zone Functionalized Foot Sole Structure Design for Robots
Authors: Chen Weidong, Chen Baolong | RobotSole
机器人多区域功能化足底结构设计
摘要
针对仿人机器人足底不同区域承载和感知功能差异化需求的问题，本文研究多区域功能化足底结
构设计方法。分析了人体足部生物力学特征，揭示了前掌、中掌、后跟和足弓等不同区域的功能差异
和力学特征。将足底划分为前掌区、中掌区、后跟区和足弓区四个功能区域，根据各区域的力学特征
和功能需求进行差异化设计。前掌区采用高硬度高摩擦材料满足推动需求；中掌区采用中等硬度复合
材料保证支撑稳定性；后跟区采用高缓冲结构实现冲击吸收；足弓区采用弹性结构实现能量存储与回
馈。建立了多区域足底的有限元模型，分析了不同行走姿态下各区域的应力分布规律，优化了区域边
界过渡设计。制作了功能化足底样件并在仿人机器人平台上进行了行走实验。结果表明，多区域功能
化足底在保持整体刚度的前提下，前掌推动力提高22%，后跟冲击峰值降低38%，行走能耗降低15
%，有效提升了机器人的行走效率和舒适性。研究成果为仿人机器人足底的精细化设计提供了理论依
据和技术支撑。
关键词：仿人机器人；足底结构；功能分区；差异化设计；行走实验
1 引言
仿人机器人是当前机器人研究的重要方向，其足底结构设计直接关系到机器人的运动性能和安全
稳定性[1-2]。仿人机器人足底承载着支撑机体重量、实现稳定行走和适应复杂地形的重要功能，其
设计需要同时满足支撑刚度、冲击缓冲、摩擦防滑和地形适应等多重需求。 人体足部的生物力学研
究表明，人足通过骨骼、软组织和皮肤的协同作用，在前掌、中掌、后跟和足弓等不同区域形成了功
能分化[3]。前掌区主要产生推进力，中掌区提供稳定支撑，后跟区缓冲行走冲击，足弓区存储和回
馈弹性势能。这种功能分区使人体足部能够高效地完成行走任务。 现有仿人机器人足底多采用均质
材料设计，忽视了不同区域的功能差异，导致整体性能难以达到最优[4]。例如：为了保证后跟的缓
冲性能而采用软材料，会导致前掌推动力不足；为了提高前掌刚度而采用硬材料，又会削弱后跟的冲
击吸收能力。 针对这一问题，本文提出一种多区域功能化足底结构设计方法，实现各区域性能的精
准匹配。通过功能分区和差异化设计，使足底不同区域发挥各自的最优性能，整体提升足底的综合性
能。 本文主要研究内容包括：分析人体足部生物力学特征和功能分区原理；提出多区域功能化足底
的结构设计方案；建立有限元模型进行力学分析；制作样件并进行行走实验验证。
2 人体足部功能分区分析
2.1 足部生物力学特征
人体足部是一个复杂的生物机械系统，由26块骨骼、33个关节和超过100条肌肉及韧带组成。根
据解剖学特征和功能特点，可将足底分为以下功能区域： (1) 前掌区 前掌区包括跖骨头部和趾骨，是
行走推进力的主要来源。在步态周期的蹬离期，前掌与地面产生较大的摩擦力，推动人体向前运动。
研究表明，前掌区承受的峰值压力可达体重的1.5~2倍，需要较高的刚度和耐磨性。 (2) 中掌区 中掌
区包括足弓下方区域和跖骨基部，是足底的核心支撑区域。该区域需要保持足够的刚度以传递力量，
同时为足弓提供稳定支撑。中掌区的刚度直接影响行走时的定位精度和姿态稳定性。 (3) 后跟区 后跟
区是足底最先接触地面的区域，在步态周期的着地期承受主要的冲击载荷。后跟区通过软组织变形吸
收冲击能量，降低对膝关节和髋关节的冲击。后跟脂肪垫的减震效率可达60%以上。 (4) 足弓区 足
弓区包括内侧纵弓、外侧纵弓和横弓，是人体特有的弹性结构。足弓在载荷作用下发生弹性变形，存
储和释放弹性势能，提高行走效率。研究表明，足弓的储能效率可达75%以上。
2.2 区域功能对比
区域
面积占比
主要功能
力学特征
组织结构
前掌区
30%
推进发力
高刚度、高压力
跖骨头、脂肪垫
中掌区
35%
稳定支撑
中等刚度
跗骨、韧带
后跟区
25%
冲击缓冲
低刚度、大变形
跟骨、脂肪垫
足弓区
10%
弹性储能
变刚度
跗骨、筋膜
表1 人体足底各区域功能特征对比
2.3 功能分区设计原则
(1) 区域独立性原则 各功能区域应具有相对独立的力学特性，能够独立发挥其功能而不受其他区
域影响。同时，区域之间应实现力的有效传递，保证足底的整体性。 (2) 梯度过渡原则 区域边界应采
用渐变过渡，避免刚度突变导致的应力集中。过渡区的材料属性应从一侧区域平滑变化到另一侧区域
。 (3) 协同作用原则 各区域虽然功能不同，但应协调配合，共同完成足底的支撑、缓冲和推进功能。
设计时需要考虑区域之间的相互作用。
3 多区域功能化足底设计
3.1 功能分区方案
根据人体足部功能分区原理和仿人机器人足底的结构特点，将机器人足底划分为四个功能区域：
(1) 前掌区设计 功能定位：产生行走推进力，提供摩擦支撑 设计要求： - 高硬度：邵氏硬度A
70~80 - 高摩擦系数：μ≥0.8(干态) - 高耐磨性：磨损率<0.1mm/km
材料方案：碳纤维增强硅橡胶，表面人字形花纹 (2) 中掌区设计 功能定位：支撑体重，传递力量
设计要求： - 中等硬度：邵氏硬度A 55~65 - 高刚度：静刚度≥1000N/mm -
高定位精度：变形<0.5mm 材料方案：玻璃纤维增强聚氨酯，金属骨架嵌入 (3) 后跟区设计
功能定位：吸收冲击能量，降低峰值力 设计要求： - 低硬度：邵氏硬度A 35~45 -
大变形：压缩量≥30% - 高阻尼：损耗因子≥0.3 材料方案：开孔聚氨酯泡沫，内置阻尼腔室 (4)
足弓区设计 功能定位：存储和释放弹性势能 设计要求： - 低刚度：静刚度≤200N/mm -
大压缩率：压缩率≥40% - 高回弹性：弹性回复率≥85% 材料方案：弹性体弹簧结构，弧形拱顶设计
3.2 材料配置详细设计
区域
基体材料
增强材料
硬度(邵氏A)
刚度(N/mm)
特点
前掌区
硅橡胶
碳纤维
75
800
高耐磨、高摩擦
中掌区
聚氨酯
玻璃纤维
60
1200
高刚度、高强度
后跟区
聚氨酯泡沫
40
150
低刚度、高阻尼
足弓区
热塑性弹性体
30
100
高弹性、大变形
表2 各区域材料配置
3.3 区域边界设计
(1) 过渡结构 区域边界采用梯度过渡设计，过渡区宽度10~15mm。材料属性从一侧区域平滑变
化到另一侧区域，避免刚度突变。 过渡区设计公式： $H(x) = H_1 + (H_2 - H_1) \cdot f(x)$
其中，H_1、H_2为两侧区域硬度，f(x)为过渡函数，采用余弦函数或三次多项式。 (2) 边界形状优化
区域边界形状采用曲线设计，避免直角过渡。优化目标是最小化应力集中，最大化功能效率。
4 有限元分析
4.1 有限元模型建立
区域
弹性模量(MPa)
泊松比
密度(kg/m³)
前掌区
50
0.35
1300
中掌区
35
0.30
1200
后跟区
15
0.40
600
足弓区
10
0.45
1100
过渡区
线性插值
线性插值
线性插值
(1) 模型几何 建立多区域功能化足底的有限元模型，足底外形尺寸80mm×50mm×15mm，分
为四个功能区域。 (2) 网格划分 采用四面体实体单元划分网格，网格尺寸2~3mm，关键区域加密至
1mm。模型单元数量约15000个，节点数量约20000个。 (3) 材料属性 表3 各区域材料有限元参数
4.2 静力学分析
区域
最大应力(MPa)
平均应力(MPa)
安全系数
前掌区
8.5
5.2
2.5
中掌区
12.0
8.5
2.0
后跟区
5.5
3.2
3.5
足弓区
3.5
2.0
4.5
指标
均质足底
功能化足底
改善
最大位移(mm)
1.8
1.2
33%↓
最大应力(MPa)
15.5
12.0
23%↓
应力均匀度(%)
45
72
60%↑
(1) 站立姿态分析 分析满载站立工况下足底的应力分布： 表4 站立工况各区域应力分析 (2)
单足支撑分析 分析单足支撑工况下足底的变形和应力：
单足支撑载荷为机体重量的1.5倍，施加于支撑足底。 表5 单足支撑工况分析结果
4.3 动力学分析
(1) 着地冲击分析 模拟足底着地瞬间的冲击过程，分析冲击载荷在各区域的分布： 分析结果表明
，功能化足底使峰值冲击力降低38%，冲击能量在前掌区、后跟区、足弓区三级分布更加均匀。 (2)
推进力分析 模拟前掌蹬离过程，分析推进力的产生和传递：
分析结果表明，功能化足底的前掌推动力比均质足底提高22%，推进效率显著提升。
5 实验验证
5.1 材料性能测试
区域
设计值(邵氏A)
实测值(邵氏A)
误差(%)
前掌区
75
73.5
-2.0
中掌区
60
58.2
-3.0
后跟区
40
38.5
-3.8
足弓区
30
29.2
-2.7
区域
干态摩擦系数
湿态摩擦系数
设计要求
前掌区
0.85
0.62
≥0.6
中掌区
0.70
0.48
≥0.5
后跟区
0.55
0.35
足弓区
0.45
0.28
(1) 硬度测试 表6 各区域材料硬度测试结果 (2) 摩擦系数测试
采用斜面法测试各区域材料的静摩擦系数： 表7 各区域材料摩擦系数
5.2 力学性能测试
测试位置
设计刚度(N/mm)
实测刚度(N/mm)
误差(%)
前掌区
800
785
-1.9
中掌区
1200
1150
-4.2
后跟区
150
142
-5.3
足弓区
100
95
-5.0
足底类型
峰值力(kN)
峰值力降低(%)
冲击持续时间(ms)
均质足底
5.2
基准
18
功能化足底
3.2
38
32
(1) 刚度测试 采用万能材料试验机测试足底刚度： 表8 足底刚度测试结果 (2) 冲击缓冲测试
采用落锤冲击试验测试足底的冲击缓冲性能： 冲击能量30J，落锤质量3kg，冲击速度3.1m/s。 表9
冲击缓冲测试结果
5.3 行走实验
测试指标
均质足底
功能化足底
改善幅度
步态稳定性评分
78
92
+18%
前掌推动力(N)
285
348
+22%
后跟冲击峰值(N)
520
322
-38%
行走能耗(J/m)
42
35.7
-15%
行走成功率(%)
92
98
+6%
(1) 实验平台 在仿人机器人平台上进行行走实验，机器人身高1.6m，体重60kg，足底尺寸80m
m×50mm×15mm。 (2) 实验内容
测试指标包括：步态稳定性、前掌推动力、后跟冲击力和能耗效率。 (3) 实验结果 表10
行走实验结果对比
实验结果表明，多区域功能化足底的各项性能指标均优于均质足底，验证了设计方法的有效性。
6 结论
本文研究了仿人机器人多区域功能化足底结构设计方法，得出以下主要结论： (1) 分析了人体足
部生物力学特征和功能分区原理，揭示了前掌、中掌、后跟和足弓四个区域的功能差异和力学特征。
(2) 提出了多区域功能化足底的结构设计方案，各区域采用差异化的材料配置和结构设计，实现了性
能的精准匹配。 (3) 建立了多区域足底的有限元模型，分析了不同行走姿态下各区域的应力分布，优
化了区域边界过渡设计。 (4)
制作了功能化足底样件并进行测试，各项性能指标满足设计要求，验证了设计方案的可行性。 (5) 行
走实验表明，功能化足底的步态稳定性提高18%，前掌推动力提高22%，后跟冲击峰值降低38%，
行走能耗降低15%，综合性能显著优于均质足底。
参考文献
[1] 姜力, 刘宏, 蔡世兴. 仿人机器人足底设计关键技术综述[J]. 机器人, 2020, 42(4): 385-398.
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[3] Alexander R M. The human machine[M]. Columbia University Press, 1992.
[4] 杨辉, 张明. 仿人机器人足底结构研究进展[J]. 机械工程学报, 2019, 55(3): 1-15.
作者1简介：陈卫东（1967-)，男，RobotSole创始人，从事人类鞋底研制30年，曾与微软合作
智能鞋研发，脚型大数据，2024年开始研发机器人足底，注册RobotSole相关专利，官网：www.ro
botsole.com E-mail: michael@robotsole.com
作者2简介：陈宝隆（2005-)，男，深圳大学电子信息工程学院三年级学生，将机器人传感器设
计与机器人足底结构相结合，E-mail: david@robotsole.com
关于作者 · 陈卫东（Michael Chen）
RobotSole 创始人，联系邮箱：michael@robotsole.com。
毕业于北京外国语大学，英语流利，具备国际化商务能力。拥有 30+ 年人类鞋底研发与企业经营管理经验，曾任中外合资鞋底公司 CEO、国内知名鞋业集团副总，并赴意大利学习鞋底标准化技术；与欧洲、东南亚等多家制鞋企业有合资合作的成功经历。
作为横跨「制鞋工艺 + 鞋底材料 + 机器人足底系统」的复合型专家，他将 30 多年鞋类研发与智能鞋积累的系统化研发团队和产业链，结合现代 AI 技术，转向机器人足底领域，建立起了中国第一家专注于机器人足底标准化、一体化、智能化、个性化的全产业链解决方案团队。
在机器人足底方向的研究成果：
- 累计发表 108 篇机器人足底技术文章，体系化覆盖减震缓冲、防滑耐磨、结构与材料、传感与智能足底、一体化与快换等方向；
- 累计拥有 50+ 项鞋底行业专利，其中围绕机器人足底已体系化申请和布局专利 10+ 项，并储备一体化成型、动能回收、无线充电足底、智能足底多模态感知、冰雪防滑钢钉、子午线胎体增强、梯度硬度单体材料、快换接口等方向；
- 借助曾与微软合作建立的全球最大标准化人体脚型数据库（超 10 万组数据，每组 76 项专业维度），充分发挥 AI 智能体与 3D 打印技术的优势，为机器人足底建立标准化数据库；
- 与中国多家第一梯队的人形 / 四足机器人企业开展足底开发与定制合作，推进全产业链的足底优化方案。