优必选研究院技能专家丁宏钰35页PPT深入讲解大年夜型仿人机械人整机构型「附PPT下载」

讲师 | 丁宏钰 优必选研究院技能专家

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导读：

7月20日，优必选研究院技能专仆人宏钰在智东西公开课进行了一场的直播讲解，主题为《大型仿人机器人整机构型研究与运用》，这也是优必选专场第5讲。

在本次讲解中，丁宏钰老师首先从大型仿人机器人整机构型国内外研究现状入手，环绕机器人整机构型、枢纽关头运动特点、伺服驱动器、减速器、仿真平台等方面进行深度讲解，末了就大型仿人机器人整机构型未来发展趋势给出自己的见地。

本文为这次专场主讲环节的图文整理：

正文：

各位朋友大家好，我是来自优必选研究院技能专仆人宏钰，本日由我和大家一起来谈论大型仿人机器人整机构型的研究和运用。
报告分为3个部分：

1、大型仿人机器人整机构型研究现状

2、优必选大型仿人机器人整机构型的研究及运用

3、大型仿人机器人整机构型的未来发展趋势

大型仿人机器人整机构型研究现状

① 大型仿人机器人机器概述

仿人机器人紧张由三大部分组成：机器部分、掌握部分及传感部分。
机器部分是其他部分的根本，就像建大楼一样，它类似于地基或者每个砖块。

机器部分又可分为两个子系统，一个是驱动系统，另一个是机器系统。
驱动可以理解为机器人的枢纽关头，怎么让机器人去运动。
机器部分是连接枢纽关头和枢纽关头之间，包括怎么去搭载这些传感器。
如果按部位来分，机器人可以分为头、胸腔、手臂、手、腿和足部等，上图展示的是Walker机器人的外不雅观图。

机器部分关键之一是枢纽关头的数量和枢纽关头的位置分布。
无论是枢纽关头的数量，还是支配办法，都与全体机器人构型密切干系。
我们知道人体有206块骨头，大的枢纽关头有78个，紧张的枢纽关头类型有6种。
仿人机器人是仿照人类枢纽关头和骨骼的架构的机器人，常日它有15-70个枢纽关头，枢纽关头的类型常日有三种，这三种紧张包括一个是前向，一个是侧摆，还有一个是旋转。
现有的仿人机器人常日头部一样平常有1-3个自由度，便是1-3个枢纽关头，手臂一样平常是4-7个枢纽关头，人的手有21个枢纽关头，仿人机器人手常日是2-13个枢纽关头点居多，仿人机器人腿部一样平常是6-7个枢纽关头，利用6个枢纽关头的多一些。

② 国外研究现状

上图展示的是早稻田大学的WABIAN-2R机器人，这个机器人特点在于全体腿部除了正常的6个自由度之外，还有一个自由度是小腿的旋转自由度，这样机器人可以仿照人类走外八的步态，它也可以实现全体机器人的节能。
其余，传统机器人的腰部可以分解为三个自由度，但它的腰部放了4个自由度，这样机器人在步态时可以实现直腿的行走。
我们看到许多传统机器人，它的膝盖曲直折的，是屈蒲伏走，还有它的小腿采取丝杆并联结构。

在全体机器人的设计过程中，除了关注于全体腿部构造的强度外还要关注刚度。
WABIAN-2R机器人的最快的步辇儿速率是1.8km/h。
其余，它的足部也做了一些创新，它的脚分为前后脚掌，脚部不是一体的，之间增加了一个被动的枢纽关头，通过这样的设计可以实现节能64%。
其余，脚分为前后脚掌之后，可以实现原地的转向。

第2个是来自慕尼黑工业大学的LOLA机器人，LOLA机器人在大腿上做了4种设计，然后根据设计目标：全体惯量最小、质量最轻，终极选了k4方案，其余在小腿上它也做了多个方案，终极比较选一个最优的方案。

下面先容LOLA机器人小腿踝枢纽关头部分的驱动办法，它把全体电机放在了大腿的上端，在上图序号5对应的位置，然后通过一个带传动传到膝盖的位置，接着往下传，通过一个行星滚柱丝杠的机构，它用这种传送办法代替传统的那种滚珠丝杠，这种办法比传统的办法重量会更轻。
这样他把小腿脚踝的枢纽关头驱动器移到大腿上，膝盖也移到大腿。
全体腿的重量比较轻，然后迁徙改变量也比较小。
这个机器人最快的行驶速率是3.6km/h。

第3个机器人是来自韩国科技研究院的DRC-HUBO机器人。
他们研究机器人最早从2005年开始，经由迭代，开始速率是1km/h，后来逐步做到1.5km/h。
2015年为了DARPA机器人寻衅赛，对机器人做了改装，在原有的根本之上，增加其余一种轮式运动办法。
这样机器人有两种运动办法，一种是步辇儿、一种是轮式的办法，终极2015年他们得到了DARPA机器人寻衅赛的冠军。
我们可以看到轮式的速率便是行走速率的两倍。

DURUS机器人是佐治亚理工2016年推出的一款机器人，这款机器人有它自己的一个特点，以前很多机器人采取谐波减速器，这个机器人采取摆线针轮减速器传动办法，他把踝枢纽关头的两个枢纽关头的驱动系统位置上移到膝盖的位置，又增加了一个被动弹簧，这样可以实现柔顺的储能，或者缓冲一些冲击。
同时它也是机器设计和掌握工程师联合事情，通过多轮的迭代优化，然后实现了它本身的枢纽关头力矩从450Nm降到150Nm的需求。

末了一个机器人是来自来自于俄勒冈州立大学的团队，后来创业做的机器人， Digit机器人在整机构型上很有特点。
它参考的是仿生学，便是仿照鸟类全体腿部的构造。
从上图可以看到这些双足鸟类，它们本身腿都很细，其余如果踩到不平整或凹陷的地方，他可以有很强的调度能力，这也是做仿生学借鉴的地方。
我们看下他们做出的机器人在构型上的特点，首先把踝部的驱动器移到器膝枢纽关头下方的位置，同时把全体膝盖的驱动器移到大腿的位置，也增加了一个连杆构造，匆匆成了一个SEA，其余髋前的枢纽关头，他做了一个PEA的构造，这样就实现了枢纽关头的一些柔顺，减少地面冲击，还有储能。
他本身弹性构造是通过玻璃纤维板做的，这个机器人目前最快行驶速率是5km/h，也是一个比较快的机器人。

③ 海内研究现状

上图是哈工大的一个机器人，GOROBOT原始设计是一个类猿的机器人，当时他们承接了国家的863操持，然后做的机器人，它比较突出的特点是头部的自由度比较多，做了23个自由度，其他方面自由度的支配与传统的差异不大。

汇童机器人是北京理工大学做的，他们也承接了国家863操持，2005年这代可以看到的数据是身高1.65m，重量65千克，自由度是 32个，行走速率是1.2km/h。
2018年北京举办的天下机器人大会，他们展示的是汇童6P机器人，它可以实现跌倒爬起、翻滚、行走和爬行的能力。

④ 整机构型的主要性

上面谈论了国外、海内的一些全体机器构型的研究，实在我们总结来看，紧张是3点，第一点是全体机器人构型对机器人的性能是有很主要的影响，首先是DRC-HUBO机器人，它有两种运动办法，一个是步辇儿的办法，一种是轮式的办法，轮式办法是步辇儿办法是速率的两倍，这样他能在比赛中争夺更多韶光，终极赢得冠军。
其余还有LOLA机器人在小腿和大腿上的构型做了很多方案，终极选择一个最优方案，终极目的是通过构型的组合办法改变全体机器人的运行性能。

第二点是减少仿人机器人全体腿部重量和惯量对提升运动性能有帮助，如果我们膝盖以下的迁徙改变量越小，这样在快速行走时须要的力就越小，由于快速行走本身有个加速度，惯量越小，须要力矩越小。
我们看到 Digit机器人把全体踝枢纽关头的驱动器，还有全体膝盖的驱动器都上移，终极实现速率上的大幅提升。

末了一点是增加腿部弹性机构可以减少仿人机器人行走冲击力和储能，很多机器人都有表示，包括DURUS机器人和Digit机器人。
如果只是电驱动，它的功率密度是有极限的，从目前的研究来看，电功率的密度和人体肌肉的功率密度比还是有差距的。
以是，我们还要增加弹性机构来提高全体电驱动办法的输出能力，同时也能减少地面的冲击。

优必选大型仿人机器人整机构型研究及运用

①整机构型和伺服驱动器的关系

总的来看，全体伺服驱动器和整机构型之间有两种关系，一种是全体伺服驱动器作为一个独立的模块，它可以单独的测试和组装，然后再和整机的构造连接在一起。
其余一种办法是伺服驱动器的构造和整机构造领悟在一起，伺服驱动器本身不能单独去测试，它只有与整机结合在一起才能进行测试。
像伺服驱动器独立这种办法，采取此方案机器人比较多，如德国宇航局的TORO，我们现在做的Walker目前是这个方案。
第二种方案，像上面提到的国外的一些研究：LOLA机器人和Digit机器人，基本都是这种方案。

②仿人机器人枢纽关头运动的特点

这是很关键的一点，我们做仿人机器人核心的想法是机器人在一些特定场合，代替人或帮助人做一些事情，我们要理解人的枢纽关头和肌肉是怎么事情的。
首先，看下枢纽关头运动的特点，一个是它本身的运动速率比较快、机动性好，由于人枢纽关头的步幅和步频都是变革的，还有一个是人脚着地点也是离散的且高速碰撞，怎么样才能知足这种枢纽关头运动特点，即全体枢纽关头设计时要实现短时的大功率和高能量利用效率及缓解冲击的能力。

为此提出一个弹性驱动机器的观点，它的根本是来自Hill肌肉三元素力模型，紧张由三部分组成，由上图可以看出CE是肌肉紧缩单元，SE是串联单元，PE是并联单元。
它有两种组合形式，一个是 PS肌肉模型，一个是SP肌肉模型，这两种模型终极转换为右边的5种形式，第一种是传统的刚性驱动器，可以理解为是电机+减速器+编码器，这样构成一个刚性的驱动器。
第二种是传统的驱动器+弹性单元，然后再连接负载，便是SEA串联驱动器，图c便是在传统的驱动器外并联一个弹性单元，便是PEA。
d图显示了在SEA的根本上增加了一个离合，弹性单元可以起浸染，也可以不起浸染，它可以被掌握。
末了e图和f图因此上三种的一个组合形式。
以人体肌肉模型为根本的弹性驱动器成为近些年研究的热点，有很多高校和研究所都对这方面做了大量的研究。

③ 仿人机器人伺服驱动器的类型

下面总结下仿人机器人紧张的伺服驱动器类型，紧张有三种，一种是传统的伺服驱动器，其余一种是弹性伺服驱动器，末了一种是本体伺服驱动器。
弹性伺服驱动器最早是由麻省理工于1995年提出，本体伺服驱动器也是麻省理工于2016年提出。

首先看下三种伺服驱动器的特色，传统伺服驱动器是无刷电机+高传动比减速器+（高刚性力矩传感器）+输出端，高刚性力矩传感器是可选择项；弹性伺服驱动器是在高传动比减速器和输出端之间增加弹性体；本体伺服驱动器是高力矩密度电机+低传动比减速器+ 输出端。
本体的意思便是本体感知表面的一些力，更直接的讲是通过电流来反馈你表面的力。
最空想的是直驱，但是现有的电机由于它的全体性能不能知足机器人枢纽关头需求，以是还要加减速器，以是本体驱动器是一个折中的方案。

传统伺服驱动器技能比较成熟，也在很多领域得到广泛的运用，弹性伺服驱动器在研究阶段，很多还集中在高校和研究所，本体伺服驱动器紧张运用处所还是在4足机器人或小型的双足机器人。

对付优必选伺服驱动器的类型，我们仿人机器人做了几代，伺服驱动器也迭代了几代，同时也做了很多的优化、测试，我们的全体伺服驱动器包括高密度无框力矩电机、双位置编码器、谐波减速器，在全体掌握软件和安全监测也做了大量的事情

④ Walker机器人的整机构型

由左边的图可以看出，Walker头部是有2个自由度，一个是前向，一个是旋转，然夹帐臂有7个自由度，大臂上有3个自由度，小臂上有4个自由度，手有4个自由度，个中小指和无门指是共用一个自由度，每条腿有6个自由度，类似于右图的构造。
目前全体机器人是1.45米，重量是74公斤，自由度一共有36个，最大行走速率为2km/h。

让机器人走进千家万户，是我们公司的一个目标，Walker机器人也承载了我们的很多希望，也投入大量的人力物力去做这件事情，目前也取得不错的效果。
下面可以看下在2020年CES上的视频，第二段是在展会现场，机器人快速行走的视频，全体手和腿的动作是相互折衷，机器人识别自己的路径、环境，目前最大行走速率是2km/h。

下面先容下现在正在做的事情，我们做过很多的调研，还有基于原有进行的一些测试，现有的这些传统构型的办法，机器人本身的速率有一个瓶颈，现在做到2km/h，如果做得更快，可能腿部的惯量对机器人的行进速率会有很大的影响。
以是，我们做了很多前期的谈论和预研事情，包括现在想把全体踝部、膝盖的驱动器位置都上移，减少全体腿部的惯量。

全体的流程是我们先初步定义每个枢纽关头输出需求、转角需求和尺寸规格，然后以此去选择电机、减速器及编码，全体驱动器方案做好之后，再设计全体机器人的构型，全体驱动器设计好之后，再把三维模型放到仿真平台去做仿真，经由几轮迭代，得到一个比较优化的设计。
设计和仿真完成之后，再去做实际的真机。

⑤ 减速器标准化制订

仿人机器人常用的减速器紧张有三大类，第一个是精密行星减速器，第二个是谐波减速器，第三个是摆线减速器。
从回差角度看，精密行星减速器是3-25弧分，谐波减速器是0.5-2弧分，摆线减速器是1-1.5弧分。
目前来看，精密行星减速器大部分用在四足机器人，还有一些大型仿人机器人的手臂和头部。
其余，精密行星减速器用在做事机器人的场景和用在传统工业级的场景需求上还有很多不一样。
谐波减速器在仿人机器人运用是比较广泛的，同时它还可以用于一些工业机器人、协作机器人上。
摆线减速器目前在仿人机器人这方面只有DURUS机器人在用，在传统的工业级机器臂上用的比较广泛。
由于全体机器人对全体掌握上哀求比较高，以是回差是减速器发展的一个非常关键的指标。

目前的精密减速器的标准有GB/T 30819-2014，这是一个机器人用谐波减速器的标准，还有一个标准是 GB/T 35089-2018，是机器人用精密齿轮传动装置实验方法的标准，但是这两个标准都没有对全体精密减速器的回差测试和评价做很详细的解释，只是比较大略解释一下，没有详细解释测试方法和评价方法。
但回差又是全体减速器一个非常主要的性能参数，以是2019年由北京工业大学石照耀教授牵头开展《精密减速器回差测试与评价》的制订事情，我们也在参与个中。
其余，回差又分为静态和动态，测试方法也不同，以是非常有必要建立一个国家级的标准。

⑥ 仿真平台

末了看下仿真平台的事情，无论对付任何设计仿真都非常主要，仿真平台可以帮助我们做一些硬件的设计和选型，同时还可以做一些算法的设计验证，还可以对一些场景做仿照和仿真。
仿真平台可以缩短全体的研发周期，同时可以降落本钱，减少设计的风险。

下面先容下仿真平台大的思路，全体机器设计和运动算法工程师一起让全体机器人系统做个优化。
紧张包括3部分，一个是设计变量，一个是限定条件，还有一个目标函数。
设计变量包括枢纽关头长度、关键构造尺寸、伺服驱动器的选型等，伺服驱动器的选型包括电机，还有全体减速器，它可以有不同的组合；限定条件便是有构造刚度、枢纽关头力矩、步态轨迹等，终极的优化目标是全体机器人的总质量最轻，运动性能最好。

上图左部分是在仿真环境Walker走路的视频，在仿真环境里，我们的运动算法和机器人上的算法是一样的。
右边是在真机上面的测试，可以看出两个的差异是手臂仿真是没有动的，但腿部的全体步态是一样的。
同时，我们也会对全体仿真和真机上的一些枢纽关头力矩的曲线去比较，仿真会更好的辅导做一些设计和测试。

大型仿人机器人整机构型的未来发展趋势

末了我们来谈论下大型仿人机器人整机构型的未来发展趋势，这是一个比较开放性的话题，统共有三点，第一点是伺服驱动器和整机构型的领悟设计，机电和运动掌握方面的联合仿真，实现机器人的最优设计。

第二点是引入弹性元件，为电驱动伺服驱动器供应赞助力矩和缓冲地面冲击，目前已经有很多研究机构在做，但还没有一个成熟的商业的机器人运用这种技能，但这确实也是一个发展方向。

末了的一个是仿生学，尤其是仿人机器人，很多设计都是仿照人或动物背后的一些事理，事理上有新的一个构型设计出来。
之前有一些机构做田鸡的全体腿部的构型，包括之前说的弹性驱动器，它也是来自人体肌肉的模型。
但是这些人体肌肉的研究也会推动全体机器人的机器技能的发展。