一种带力矩、位置传感器的紧凑人型机器人SEA驱动器（带谐波减速器）机械设计方案
- 作者 · 任赜宇
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- 2017-12-20
- 来源 · 知乎
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本文介绍一种带力矩、位置传感器的紧凑人型机器人SEA驱动器（带谐波减速器）机械设计方案，是任赜宇博士所在研究所（Istituto Italiano Di Technologia）研究的技术成果。
有小伙伴留言给我，询问带力控SEA驱动器的设计方案，这篇文章就给大家介绍一下我们研究所（iit）驱动器的设计方案，大家取各家所长。
（我只写Paper上你能看的到的内容，工程经验上的Trick就不能写了，尊重我们这里Technician的劳动成果）
我们知道机器人平台上，在动态解耦（Dynamic Coupling）和运动、力控制的关键因素就是精确地传递力矩。传统的纯位置控制已经不能满足目前机器人动态运动性能控制的硬件需要，因此带精确力反馈的驱动器设计就迫在眉睫。而在人型机器人领域，对输出力矩、以及一定柔性(Compliance)的要求，决定了驱动器需要配备谐波减速器（Harmonic Drive）以及柔性体(Compliant Structure)。
如上图所示，是我们部门第二代SEA驱动器的截面（Section）结构图，
从左至右整个驱动器由以下五部分组成：输出端+弹性体+谐波减速器+电机+电路
这里需要着重解释的是：
如上图，驱动器中的力矩是通过安装在弹性体两个平面（Interface）的位置传感器实现的，而这两个平面（Interface）通过一个扭力杆(Torsion Bar)连接，这两个平面（Interface）一端连接着输出端（Output link）另外一段连接在谐波减速器端（Harmonic Drive），当输出端驱动机器人关节运动时，这两个平面会在轴向（Axial）扭转产生一个偏角δ（Deflection）,而这个偏角 δ （Deflection）将会被位置传感器测量，通过: τ=K. δ 得到力矩值。（ K 为材料的抗扭截面系数，弹性体的材料为17-4PH）
（我们并没有采用应变片（Strain Gauge）原理测量扭矩，之后也会写篇文章介绍为什么我们最终选择位置传感器原理（Position Encoder）的原理测量扭矩以及关节零部件Torsion Bar设计的Trick）
我们第二代SEA集成做了3种Size，如下图所示：
相应的电机参数如下表所示：
这三种Size的驱动器将会根据不同关节的力矩要求应用在如下图所示的四足-腿轮式-人马机器人上（Centauro）。
这代驱动器是我们今年年初刚刚设计出来的，力控的性能在最近几个月得到了验证，因为同事准备发明年的IROS的缘故，一些比较好的Demo我在这里就不能发出来了。
以下两个Demo是17年的IROS和已投18年的ICRA，和大家分享：
第一段10kg的大负载的操作（High Payload Manipulation）验证驱动器的能量输出密度。
第二段大冲击的运动（High Impact Motion）机械臂在下落过程中关节是力矩控制。
这两段视频也告诉大家在大负载的应用领域：带减速箱的SEA是目前不能被直驱电机取代的。
这一段Demo实际上是一条在臀部-膝盖-脚踝（Trunk-Knee-Ankle）关节3xPitch自由度的储能单腿。
这个视频验证了在20kg负载下（腿自身重9.8kg），在没有储能弹性绷带（Energy Storage Bungee-ESB）的配置下（No ESB Configuration），这条单腿能够做到膝关节125°的深蹲，验证了驱动器的能量输出密度，而后面两个配置，即是带有储能弹性绷带（ESB）的两种不同的配置（Mono&Bi Configutation）,验证了能量效率（带储能原件能节省60%的能量），不过就和本文驱动器的主题关系不大了。
（这个单腿目前如demo的运动目前不需要用到力矩控制，完全靠位置控制既可以实现）
同样，在NO ESB Configuration配置下的20kg负载深蹲，也是目前直驱电机的输出力矩几乎无法做到的。
相关参考文献：
1. Lorenzo Baccelliere, Navvab Kashiri, Luca Muratore, Arturo Laurenzi, Małgorzata Kamedula, Alessio Margan, Stefano Cordasco, Jorn Malzahn, Nikos G. Tsagarakis. "Development of a Human Size and Strength Compliant Bi-ManualPlatform for Realistic Heavy Manipulation Tasks", IROS 2017
2. F.Negrello, M.Garabini, M.G.Catalano, J.Malzahn, D.G.Caldwell, A.Bicchi, and N.G.Tsagarakis. "A Modular Compliant Actuator for Emerging High Performance and Fall-Resilient Humanoids", Humanoids, 2015
（我只写Paper上你能看的到的内容，工程经验上的Trick就不能写了，尊重我们这里Technician的劳动成果）
我们知道机器人平台上，在动态解耦（Dynamic Coupling）和运动、力控制的关键因素就是精确地传递力矩。传统的纯位置控制已经不能满足目前机器人动态运动性能控制的硬件需要，因此带精确力反馈的驱动器设计就迫在眉睫。而在人型机器人领域，对输出力矩、以及一定柔性(Compliance)的要求，决定了驱动器需要配备谐波减速器（Harmonic Drive）以及柔性体(Compliant Structure)。
如上图所示，是我们部门第二代SEA驱动器的截面（Section）结构图，
从左至右整个驱动器由以下五部分组成：输出端+弹性体+谐波减速器+电机+电路
这里需要着重解释的是：
如上图，驱动器中的力矩是通过安装在弹性体两个平面（Interface）的位置传感器实现的，而这两个平面（Interface）通过一个扭力杆(Torsion Bar)连接，这两个平面（Interface）一端连接着输出端（Output link）另外一段连接在谐波减速器端（Harmonic Drive），当输出端驱动机器人关节运动时，这两个平面会在轴向（Axial）扭转产生一个偏角δ（Deflection）,而这个偏角 δ （Deflection）将会被位置传感器测量，通过: τ=K. δ 得到力矩值。（ K 为材料的抗扭截面系数，弹性体的材料为17-4PH）
（我们并没有采用应变片（Strain Gauge）原理测量扭矩，之后也会写篇文章介绍为什么我们最终选择位置传感器原理（Position Encoder）的原理测量扭矩以及关节零部件Torsion Bar设计的Trick）
我们第二代SEA集成做了3种Size，如下图所示：
相应的电机参数如下表所示：
这三种Size的驱动器将会根据不同关节的力矩要求应用在如下图所示的四足-腿轮式-人马机器人上（Centauro）。
这代驱动器是我们今年年初刚刚设计出来的，力控的性能在最近几个月得到了验证，因为同事准备发明年的IROS的缘故，一些比较好的Demo我在这里就不能发出来了。
以下两个Demo是17年的IROS和已投18年的ICRA，和大家分享：
第一段10kg的大负载的操作（High Payload Manipulation）验证驱动器的能量输出密度。
第二段大冲击的运动（High Impact Motion）机械臂在下落过程中关节是力矩控制。
这两段视频也告诉大家在大负载的应用领域：带减速箱的SEA是目前不能被直驱电机取代的。
这一段Demo实际上是一条在臀部-膝盖-脚踝（Trunk-Knee-Ankle）关节3xPitch自由度的储能单腿。
这个视频验证了在20kg负载下（腿自身重9.8kg），在没有储能弹性绷带（Energy Storage Bungee-ESB）的配置下（No ESB Configuration），这条单腿能够做到膝关节125°的深蹲，验证了驱动器的能量输出密度，而后面两个配置，即是带有储能弹性绷带（ESB）的两种不同的配置（Mono&Bi Configutation）,验证了能量效率（带储能原件能节省60%的能量），不过就和本文驱动器的主题关系不大了。
（这个单腿目前如demo的运动目前不需要用到力矩控制，完全靠位置控制既可以实现）
同样，在NO ESB Configuration配置下的20kg负载深蹲，也是目前直驱电机的输出力矩几乎无法做到的。
相关参考文献：
1. Lorenzo Baccelliere, Navvab Kashiri, Luca Muratore, Arturo Laurenzi, Małgorzata Kamedula, Alessio Margan, Stefano Cordasco, Jorn Malzahn, Nikos G. Tsagarakis. "Development of a Human Size and Strength Compliant Bi-ManualPlatform for Realistic Heavy Manipulation Tasks", IROS 2017
2. F.Negrello, M.Garabini, M.G.Catalano, J.Malzahn, D.G.Caldwell, A.Bicchi, and N.G.Tsagarakis. "A Modular Compliant Actuator for Emerging High Performance and Fall-Resilient Humanoids", Humanoids, 2015
本文转载自知乎，作者：任赜宇，如若需转载请联系原作者
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