出品 | 智東西公開課講師 | 丁宏鈺 優必選研究院技術專家
導讀：
7月20日，優必選研究院技術專家丁宏鈺在智東西公開課進行了一場的直播講解，主題為《大型仿人機器人整機構型研究與應用》，這也是優必選專場第5講。
在本次講解中，丁宏鈺老師首先從大型仿人機器人整機構型國內外研究現狀入手，圍繞機器人整機構型、關節運動特點、伺服驅動器、減速器、仿真平臺等方面進行深度講解，最後就大型仿人機器人整機構型未來發展趨勢給出自己的見解。
本文為此次專場主講環節的圖文整理：
正文：
各位朋友大家好，我是來自優必選研究院技術專家丁宏鈺，今天由我和大家一起來討論大型仿人機器人整機構型的研究和應用。報告分為3個部分：1、大型仿人機器人整機構型研究現狀2、優必選大型仿人機器人整機構型的研究及應用3、大型仿人機器人整機構型的未來發展趨勢
大型仿人機器人整機構型研究現狀
① 大型仿人機器人機械概述
仿人機器人主要由三大部分組成：機械部分、控制部分及傳感部分。機械部分是其他部分的基礎，就像建大樓一樣，它類似於地基或者每個磚塊。
機械部分又可分為兩個子系統，一個是驅動系統，另一個是機械系統。驅動可以理解為機器人的關節，怎麼讓機器人去運動。機械部分是連接關節和關節之間，包括怎麼去搭載這些傳感器。如果按部位來分，機器人可以分為頭、胸腔、手臂、手、腿和足部等，上圖展示的是Walker機器人的外觀圖。
機械部分關鍵之一是關節的數量和關節的位置分布。無論是關節的數量，還是布置方式，都與整個機器人構型密切相關。我們知道人體有206塊骨頭，大的關節有78個，主要的關節類型有6種。仿人機器人是模擬人類關節和骨骼的架構的機器人，通常它有15-70個關節，關節的類型通常有三種，這三種主要包括一個是前向，一個是側擺，還有一個是旋轉。現有的仿人機器人通常頭部一般有1-3個自由度，就是1-3個關節，手臂一般是4-7個關節，人的手有21個關節，仿人機器人手通常是2-13個關節點居多，仿人機器人腿部一般是6-7個關節，使用6個關節的多一些。
② 國外研究現狀
上圖展示的是早稻田大學的WABIAN-2R機器人，這個機器人特點在於整個腿部除了正常的6個自由度之外，還有一個自由度是小腿的旋轉自由度，這樣機器人可以模擬人類走外八的步態，它也可以實現整個機器人的節能。另外，傳統機器人的腰部可以分解為三個自由度，但它的腰部放了4個自由度，這樣機器人在步態時可以實現直腿的行走。我們看到許多傳統機器人，它的膝蓋是彎曲的，是屈膝行走，還有它的小腿採用絲杆並聯結構。
在整個機器人的設計過程中，除了關注於整個腿部結構的強度外還要關注剛度。WABIAN-2R機器人的最快的步行速度是1.8km/h。另外，它的足部也做了一些創新，它的腳分為前後腳掌，腳部不是一體的，之間增加了一個被動的關節，通過這樣的設計可以實現節能64%。另外，腳分為前後腳掌之後，可以實現原地的轉向。
第2個是來自慕尼黑工業大學的LOLA機器人，LOLA機器人在大腿上做了4種設計，然後根據設計目標：整個慣量最小、質量最輕，最終選了k4方案，另外在小腿上它也做了多個方案，最終比較選一個最優的方案。
下面介紹LOLA機器人小腿踝關節部分的驅動方式，它把整個電機放在了大腿的上端，在上圖序號5對應的位置，然後通過一個帶傳動傳到膝蓋的位置，接著往下傳，通過一個行星滾柱絲槓的機構，它用這種傳送方式代替傳統的那種滾珠絲槓，這種方式比傳統的方式重量會更輕。這樣他把小腿腳踝的關節驅動器移到大腿上，膝蓋也移到大腿。整個腿的重量比較輕，然後轉動量也比較小。這個機器人最快的行駛速度是3.6km/h。
第3個機器人是來自韓國科技研究院的DRC-HUBO機器人。他們研究機器人最早從2005年開始，經過迭代，開始速度是1km/h，後來慢慢做到1.5km/h。2015年為了DARPA機器人挑戰賽，對機器人做了改裝，在原有的基礎之上，增加另外一種輪式運動方式。這樣機器人有兩種運動方式，一種是步行、一種是輪式的方式，最終2015年他們獲得了DARPA機器人挑戰賽的冠軍。我們可以看到輪式的速度就是行走速度的兩倍。
DURUS機器人是喬治亞理工2016年推出的一款機器人，這款機器人有它自己的一個特點，以前很多機器人採用諧波減速器，這個機器人採用擺線針輪減速器傳動方式，他把踝關節的兩個關節的驅動系統位置上移到膝蓋的位置，又增加了一個被動彈簧，這樣可以實現柔順的儲能，或者緩衝一些衝擊。同時它也是機械設計和控制工程師聯合工作，通過多輪的迭代優化，然後實現了它本身的關節力矩從450Nm降到150Nm的需求。
最後一個機器人是來自來自於俄勒岡州立大學的團隊，後來創業做的機器人， Digit機器人在整機構型上很有特點。它參考的是仿生學，就是模擬鳥類整個腿部的結構。從上圖可以看到這些雙足鳥類，它們本身腿都很細，另外如果踩到不平整或凹陷的地方，他可以有很強的調整能力，這也是做仿生學借鑑的地方。我們看下他們做出的機器人在構型上的特點，首先把踝部的驅動器移到器膝關節下方的位置，同時把整個膝蓋的驅動器移到大腿的位置，也增加了一個連杆結構，促成了一個SEA，另外髖前的關節，他做了一個PEA的結構，這樣就實現了關節的一些柔順，減少地面衝擊，還有儲能。他本身彈性結構是通過玻璃纖維板做的，這個機器人目前最快行駛速度是5km/h，也是一個比較快的機器人。
③ 國內研究現狀
上圖是哈工大的一個機器人，GOROBOT原始設計是一個類猿的機器人，當時他們承接了國家的863計劃，然後做的機器人，它比較突出的特點是頭部的自由度比較多，做了23個自由度，其他方面自由度的布置與傳統的區別不大。
匯童機器人是北京理工大學做的，他們也承接了國家863計劃，2005年這代可以看到的數據是身高1.65m，重量65千克，自由度是 32個，行走速度是1.2km/h。2018年北京舉辦的世界機器人大會，他們展示的是匯童6P機器人，它可以實現跌倒爬起、翻滾、行走和爬行的能力。
④ 整機構型的重要性
上面討論了國外、國內的一些整個機械構型的研究，其實我們總結來看，主要是3點，第一點是整個機器人構型對機器人的性能是有很重要的影響，首先是DRC-HUBO機器人，它有兩種運動方式，一個是步行的方式，一種是輪式的方式，輪式方式是步行方式是速度的兩倍，這樣他能在比賽中爭奪更多時間，最終贏得冠軍。另外還有LOLA機器人在小腿和大腿上的構型做了很多方案，最終選擇一個最優方案，最終目的是通過構型的組合方式改變整個機器人的運行性能。
第二點是減少仿人機器人整個腿部重量和慣量對提升運動性能有幫助，如果我們膝蓋以下的轉動量越小，這樣在快速行走時需要的力就越小，因為快速行走本身有個加速度，慣量越小，需要力矩越小。我們看到 Digit機器人把整個踝關節的驅動器，還有整個膝蓋的驅動器都上移，最終實現速度上的大幅提升。
最後一點是增加腿部彈性機構可以減少仿人機器人行走衝擊力和儲能，很多機器人都有體現，包括DURUS機器人和Digit機器人。如果只是電驅動，它的功率密度是有極限的，從目前的研究來看，電功率的密度和人體肌肉的功率密度比還是有差距的。所以，我們還要增加彈性機構來提高整個電驅動方式的輸出能力，同時也能減少地面的衝擊。
優必選大型仿人機器人整機構型研究及應用
①整機構型和伺服驅動器的關係
總的來看，整個伺服驅動器和整機構型之間有兩種關係，一種是整個伺服驅動器作為一個獨立的模塊，它可以單獨的測試和組裝，然後再和整機的結構連接在一起。另外一種方式是伺服驅動器的結構和整機結構融合在一起，伺服驅動器本身不能單獨去測試，它只有與整機結合在一起才能進行測試。像伺服驅動器獨立這種方式，採用此方案機器人比較多，如德國宇航局的TORO，我們現在做的Walker目前是這個方案。第二種方案，像上面提到的國外的一些研究：LOLA機器人和Digit機器人，基本都是這種方案。
②仿人機器人關節運動的特點
這是很關鍵的一點，我們做仿人機器人核心的想法是機器人在一些特定場合，代替人或幫助人做一些事情，我們要了解人的關節和肌肉是怎麼工作的。首先，看下關節運動的特點，一個是它本身的運動速度比較快、機動性好，因為人關節的步幅和步頻都是變化的，還有一個是人腳著地點也是離散的且高速碰撞，怎麼樣才能滿足這種關節運動特點，即整個關節設計時要實現短時的大功率和高能量利用效率及緩解衝擊的能力。
為此提出一個彈性驅動機器的概念，它的基礎是來自Hill肌肉三元素力模型，主要由三部分組成，由上圖可以看出CE是肌肉收縮單元，SE是串聯單元，PE是並聯單元。它有兩種組合形式，一個是 PS肌肉模型，一個是SP肌肉模型，這兩種模型最終轉換為右邊的5種形式，第一種是傳統的剛性驅動器，可以理解為是電機+減速器+編碼器，這樣構成一個剛性的驅動器。第二種是傳統的驅動器+彈性單元，然後再連接負載，就是SEA串聯驅動器，圖c就是在傳統的驅動器外並聯一個彈性單元，就是PEA。d圖顯示了在SEA的基礎上增加了一個離合，彈性單元可以起作用，也可以不起作用，它可以被控制。最後e圖和f圖是以上三種的一個組合形式。以人體肌肉模型為基礎的彈性驅動器成為近些年研究的熱點，有很多高校和研究所都對這方面做了大量的研究。
③ 仿人機器人伺服驅動器的類型
下面總結下仿人機器人主要的伺服驅動器類型，主要有三種，一種是傳統的伺服驅動器，另外一種是彈性伺服驅動器，最後一種是本體伺服驅動器。彈性伺服驅動器最早是由麻省理工於1995年提出，本體伺服驅動器也是麻省理工於2016年提出。
首先看下三種伺服驅動器的特徵，傳統伺服驅動器是無刷電機+高傳動比減速器+（高剛性力矩傳感器）+輸出端，高剛性力矩傳感器是可選擇項；彈性伺服驅動器是在高傳動比減速器和輸出端之間增加彈性體；本體伺服驅動器是高力矩密度電機+低傳動比減速器+ 輸出端。本體的意思就是本體感知外面的一些力，更直接的講是通過電流來反饋你外面的力。最理想的是直驅，但是現有的電機由於它的整個性能不能滿足機器人關節需求，所以還要加減速器，所以本體驅動器是一個折中的方案。
傳統伺服驅動器技術比較成熟，也在很多領域得到廣泛的應用，彈性伺服驅動器在研究階段，很多還集中在高校和研究所，本體伺服驅動器主要應用場合還是在4足機器人或小型的雙足機器人。
對於優必選伺服驅動器的類型，我們仿人機器人做了幾代，伺服驅動器也迭代了幾代，同時也做了很多的優化、測試，我們的整個伺服驅動器包括高密度無框力矩電機、雙位置編碼器、諧波減速器，在整個控制軟體和安全監測也做了大量的工作
④ Walker機器人的整機構型
由左邊的圖可以看出，Walker頭部是有2個自由度，一個是前向，一個是旋轉，然後手臂有7個自由度，大臂上有3個自由度，小臂上有4個自由度，手有4個自由度，其中小指和無門指是共用一個自由度，每條腿有6個自由度，類似於右圖的結構。目前整個機器人是1.45米，重量是74公斤，自由度一共有36個，最大行走速度為2km/h。
讓機器人走進千家萬戶，是我們公司的一個目標，Walker機器人也承載了我們的很多希望，也投入大量的人力物力去做這件事情，目前也取得不錯的效果。下面可以看下在2020年CES上的視頻，第二段是在展會現場，機器人快速行走的視頻，整個手和腿的動作是相互協調，機器人識別自己的路徑、環境，目前最大行走速度是2km/h。
下面介紹下現在正在做的工作，我們做過很多的調研，還有基於原有進行的一些測試，現有的這些傳統構型的方式，機器人本身的速度有一個瓶頸，現在做到2km/h，如果做得更快，可能腿部的慣量對機器人的行進速度會有很大的影響。所以，我們做了很多前期的討論和預研工作，包括現在想把整個踝部、膝蓋的驅動器位置都上移，減少整個腿部的慣量。
整個的流程是我們先初步定義每個關節輸出需求、轉角需求和尺寸規格，然後以此去選擇電機、減速器及編碼，整個驅動器方案做好之後，再設計整個機器人的構型，整個驅動器設計好之後，再把三維模型放到仿真平臺去做仿真，經過幾輪迭代，得到一個比較優化的設計。設計和仿真完成之後，再去做實際的真機。
⑤ 減速器標準化制定
仿人機器人常用的減速器主要有三大類，第一個是精密行星減速器，第二個是諧波減速器，第三個是擺線減速器。從回差角度看，精密行星減速器是3-25弧分，諧波減速器是0.5-2弧分，擺線減速器是1-1.5弧分。目前來看，精密行星減速器大部分用在四足機器人，還有一些大型仿人機器人的手臂和頭部。另外，精密行星減速器用在服務機器人的場景和用在傳統工業級的場景需求上還有很多不一樣。諧波減速器在仿人機器人應用是比較廣泛的，同時它還可以用於一些工業機器人、協作機器人上。擺線減速器目前在仿人機器人這方面只有DURUS機器人在用，在傳統的工業級機械臂上用的比較廣泛。由於整個機器人對整個控制上要求比較高，所以回差是減速器發展的一個非常關鍵的指標。
目前的精密減速器的標準有GB/T 30819-2014，這是一個機器人用諧波減速器的標準，還有一個標準是 GB/T 35089-2018，是機器人用精密齒輪傳動裝置實驗方法的標準，但是這兩個標準都沒有對整個精密減速器的回差測試和評價做很詳細的說明，只是比較簡單說明一下，沒有詳細說明測試方法和評價方法。但回差又是整個減速器一個非常重要的性能參數，所以2019年由北京工業大學石照耀教授牽頭開展《精密減速器回差測試與評價》的制定工作，我們也在參與其中。另外，回差又分為靜態和動態，測試方法也不同，所以非常有必要建立一個國家級的標準。
⑥ 仿真平臺
最後看下仿真平臺的工作，無論對於任何設計仿真都非常重要，仿真平臺可以幫助我們做一些硬體的設計和選型，同時還可以做一些算法的設計驗證，還可以對一些場景做模擬和仿真。仿真平臺可以縮短整個的研發周期，同時可以降低成本，減少設計的風險。
下面介紹下仿真平臺大的思路，整個機械設計和運動算法工程師一起讓整個機器人系統做個優化。主要包括3部分，一個是設計變量，一個是限制條件，還有一個目標函數。設計變量包括關節長度、關鍵結構尺寸、伺服驅動器的選型等，伺服驅動器的選型包括電機，還有整個減速器，它可以有不同的組合；限制條件就是有結構剛度、關節力矩、步態軌跡等，最終的優化目標是整個機器人的總質量最輕，運動性能最好。
上圖左部分是在仿真環境Walker走路的視頻，在仿真環境裡，我們的運動算法和機器人上的算法是一樣的。右邊是在真機上面的測試，可以看出兩個的區別是手臂仿真是沒有動的，但腿部的整個步態是一樣的。同時，我們也會對整個仿真和真機上的一些關節力矩的曲線去比較，仿真會更好的指導做一些設計和測試。
大型仿人機器人整機構型的未來發展趨勢
最後我們來討論下大型仿人機器人整機構型的未來發展趨勢，這是一個比較開放性的話題，總共有三點，第一點是伺服驅動器和整機構型的融合設計，機電和運動控制方面的聯合仿真，實現機器人的最優設計。
第二點是引入彈性元件，為電驅動伺服驅動器提供輔助力矩和緩衝地面衝擊，目前已經有很多研究機構在做，但還沒有一個成熟的商業的機器人應用這種技術，但這確實也是一個發展方向。
最後的一個是仿生學，尤其是仿人機器人，很多設計都是模擬人或動物背後的一些原理，原理上有新的一個構型設計出來。之前有一些機構做青蛙的整個腿部的構型，包括之前說的彈性驅動器，它也是來自人體肌肉的模型。但是這些人體肌肉的研究也會推動整個機器人的機械技術的發展。