关于双足人型机器人——六自由度机械腿常见结构设计与比较

本文是一篇以举实例为主、容易阅读的图文并茂的科普文。



小编感谢:

首先感谢@任赜宇凌晨3点多还在为我们分享,辛苦了!

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本文是一篇以举实例为主、容易阅读的图文并茂的科普文。

先给大家看一段剪辑过的双足人型机器人行走的视频,出镜的双足人型机器人有:

日本:HRP2/HRP3——AIST;

意大利:WALKMAN——iit;

意大利:Coman——iit;

德国:TORO——DLR ;

美国:DURUS——Georgia Tech;

美国:Valkyrie——NASA.

这些机器人的腿部结构在后文都会分析到。

以电机为原理的双足人型现在都半斤八两,大家性能都差不了太多(没有BDI那么性能出类拔萃的)。大家看完文章也可以自己体会下,这6台机器人不同的腿部结构设计,和其实际体现的行走性能的关系。



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在这篇文章开始前,我们需要明确以下基本概念:

关于机器人单腿运动关节(Joint)的排布和自由度的分配(DOF)

机器人单腿运动关节(JOINT)排布和自由度数量(DOF)分配 来自解剖学

如上图所示,目前我们一般把机器人单腿分成三个运动关节:

Hip Joint(髋关节): 带有3个自由度;

Knee Joint (膝关节):带有1个自由度;

Ankle Joint (踝关节):带有2个自由度;

(注意:我们目前暂时不讨论脚趾上的自由度,即使引入脚趾自由度的机器人单腿设计,也大多数为被动关节,作为一种着地的被动柔性关节考虑。)

单腿运动关节自由度(DOF)方向分配
如上图所示,各个运动关节实际自由度方向分配如下:

Hip Joint: 3DOF = Yaw+Roll+Pitch;

Knee Joint: 1DOF = Pitch;

Ankle Joint: 2DOF = Pitch+Roll.

(注意:Hip Joint实际的三自由度有多种排布方案,并不一定总是Yaw放在最物理位置上最高处,具体机器人有不同的方案。)

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进入正文:

实际上作者认为,目前大致上常见的机械腿结构设计大致经历了三个发展阶段:

1. 传统型;
2. 引入串联传动机构,提高Knee Joint的Pitch和Ankle Joint的Pitch,减少惯量;
3. 引入并联传动机构,提高Ankle Joint的Roll和Ankle Joint的Pitch, 进一步减少惯量。

一切的核心方向就是提高关节驱动器物理上的离地距离,减少腿部惯量,更加利于运动控制。

直观的例子如下:通过绑沙袋(增加小腿惯量),增加肌肉运动控制难度,达到训练的目的。反之,如果我希望减小上层控制的难度,我需要尽可能地减少腿部惯量。


传统型:

这里我用Trossen Robotics的MX-160T为例来解释传统型的设计。

(实际上采用传统型的腿部结构设计的双足机器人有很多很多,绝大部分尺寸较小的小仿人都是采用这类设计,HRP2-3的文章中没有很直观图片的描述,我就用MX-160T来代替。)

Trossen Robotics MX-160T

大家其实很容易发现,传统型的结构的特点就是驱动器的位置排布是严格按照关节自由度的位置分布的。没有多余的机械传动结构,驱动器输出端直接连接关节。

这类方案对于尺寸较小,上身质量较轻的双足人型来说已经够用,典型做的好的例子是AIST的HRP2和HRP3, 以上的视频中已经能看到步行“健步如飞”了。

但大家已经注意到了,比如说上图的MX-160T,踝关节的位置放两个驱动器实在太臃肿了,不符合减少腿部惯量的初衷。

为了减少腿部惯量,提高驱动器的物理位置高度,则必须引入相应的机械传动机构,连接相应的驱动器和运动关节。

常见的传动机构包括:

1. 四连杆(Four-Bar-linkage)

2. 带传动(Belt Transmission)

3. 滚珠丝杠(Ball Screw Bearing)

串联传动机构:

Walkman Leg Structure, iit

如上图所示,是我们研究所第一代大人型的腿部设计方案,能清楚地看到Knee Pitch Motor和Ankle Pitch Motor的物理位置被提高,通过四连杆传递运动到具体运动关节,这里是提高的Knee和Ankle Joint的两个Pitch.

Coman Leg Structure, iit

如上图所示,是我们研究所第一代小人型Coman的腿部设计方案,这里采取了相似的四连杆传动方案。不过略有不同的是,提高的是Ankle Joint的Roll方向的驱动器物理位置高度。

TORO, DLR
 
上图是德国宇航局(DLR)的TORO的小腿部分的设计,相似地,通过平行四连杆提高了踝关节Pitch方向驱动器安放的物理位置。

串联传动方案的不足之处在于,因为是串联的特性,踝关节最后还总是“拖着”一个驱动器,无论是踝关节的Roll还是Pitch。为了解决这个问题,接下来比较新的、性能比较好的大人型双足都采取了并联的传动机构方案。

并联传动机构:

这是我观察到的目前主流的设计方案,几款性能较好的大人型都是采用此类设计,这里的并联传动机构都是针对于踝关节的Pitch和Roll。

为了保证腿部长度的紧凑型,膝关节的Pitch方向的驱动器一般不再采用传动机构再提高物理位置了(实际上,从实际locomotion control的经验来看,膝关节pitch驱动器是否物理位置提高的影响较小,踝关节较为重要)。

Valkyrie, NASA

这是NASA的瓦尔基里的踝关节的设计方案,踝关节的Roll和Pitch的驱动器物理位置都被提高,通过滚珠丝杠将运动传递下来。

DURUS, Georgia Tech

这是佐治亚理工的DURUS的踝关节设计方案,很直观地看出同样地,踝关节的Roll和Pitch的驱动器物理位置都被提高,而这里是通过四连杆将运动传递下来。

我们研究所(iit)新一代的大人型WALKMAN PLUS也采用了并联传动的踝关节的设计,而且是借鉴了DURUS的设计,在其基础上进一步结构设计优化,最大可能地减少惯量。但是因为有博后同事专门为那个设计写了文章的缘故(文章再Review阶段),目前不便拿出来展示。

这里的Pitch和Roll的并联运动可以这样简单直观化地理解:

当两个驱动器输出相同的位置轨迹,产生的踝关节的运动就是简单的Pitch; 而当两个驱动器输出不同的位置轨迹,就会产生Pitch和Roll的运动叠加。

同样地,关于这个有趣的并联传动机构对踝关节Pitch和Roll的运动具体分析,等博后同事的文章接收后,还会拿出来具体展示分析。

拓展比较:

Altas2, BDI

如果我们站的高度高一些,跳出电机控制机器人的圈子,还记得Atlas2么?

液压驱动的特性决定了Atlas2双足可以做的如此纤细(匹配输出功率的情况下):腿部双足只需要放置液压缸这样的运动执行元件,动力源全部背在上身。

(或许现阶段技术条件下基于电机原理的大人型双足,大方向就是走错了呢?QAQ)

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参考文献:

  • Englsberger, Johannes, Alexander Werner, Christian Ott, Bernd Henze, Maximo A. Roa, Gianluca Garofalo, Robert Burger et al. "Overview of the torque-controlled humanoid robot TORO." In Humanoid Robots (Humanoids), 2014 14th IEEE-RAS International Conference on, pp. 916-923. IEEE, 2014.

  • Reher, Jacob, Eric A. Cousineau, Ayonga Hereid, Christian M. Hubicki, and Aaron D. Ames. "Realizing dynamic and efficient bipedal locomotion on the humanoid robot DURUS." In Robotics and Automation (ICRA), 2016 IEEE International Conference on, pp. 1794-1801. IEEE, 2016.

  • Tsagarakis, Nikos G., Darwin G. Caldwell, F. Negrello, W. Choi, L. Baccelliere, V. G. Loc, J. Noorden et al. "WALK‐MAN: A High‐Performance Humanoid Platform for Realistic Environments." Journal of Field Robotics 34, no. 7 (2017): 1225-1259.

  • Kaneko, Kenji, Kensuke Harada, Fumio Kanehiro, Go Miyamori, and Kazuhiko Akachi. "Humanoid robot HRP-3." In Intelligent Robots and Systems, 2008. IROS 2008. IEEE/RSJ International Conference on, pp. 2471-2478. IEEE, 2008.

  • Radford, Nicolaus A., Philip Strawser, Kimberly Hambuchen, Joshua S. Mehling, William K. Verdeyen, A. Stuart Donnan, James Holley et al. "Valkyrie: Nasa's first bipedal humanoid robot." Journal of Field Robotics 32, no. 3 (2015): 397-419.

  • Tsagarakis, Nikos G., Stephen Morfey, Gustavo Medrano Cerda, Li Zhibin, and Darwin G. Caldwell. "Compliant humanoid coman: Optimal joint stiffness tuning for modal frequency control." In Robotics and Automation (ICRA), 2013 IEEE International Conference on, pp. 673-678. IEEE, 2013.
 
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任赜宇

意大利技术研究院(Italian Institute of Technology)先进机器人(Advanced Robotics)部门博士生,本科毕业于浙江大学机械电子工程。现主要从事人形机器人欠驱动机械手、串联弹性驱动器(SEA)、平行弹性驱动器(PEA)以及基于SEA和PEA的弹性储能弹跳单腿的机电设计以及相关控制的研究,研究内容多次被ICRA和IROS收录,并担任相关领域审稿人。曾为机器人世界杯小型组(RoboCup SSL)浙江大学熊蓉教授团队ZJUNlict成员,获得2014年机器人世界杯小型组世界冠军、2013年伊朗公开赛亚军以及2015年机器人世界杯小型组季军。

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