大型仿人机器人整机构型钻研与应用

本文从大型仿人机器人整机构型国内外钻研现状入手，围绕机器人整机构型、枢纽关头疏通特点、伺服启动器、减速器、仿真平台等方面进行深度讲解，最后讲述了大型仿人机器人整机构型未来发展趋势。

大型仿人机器人整机构型钻研现状

① 大型仿人机器人机械概述

仿人机器人主要由三大部分组成：机械部分、控制部分及传感部分。机械部分是其他部分的基础，就像建大楼一样，它类似于地基或者每个砖块。

机械部分又可分为两个子系统，一个是启动系统，另一个是机械系统。启动可以理解为机器人的枢纽关头，怎么让机器人去疏通。机械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 机器人的外观图。

机械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，还是布置体式格局，都与所有机器人构型密切相关。我们知道人体有 206 块骨头，大的枢纽关头有 78 个，主要的枢纽关头类型有 6 种。仿人机器人是模拟人类枢纽关头和骨骼的架构的机器人，通常它有 15-70 个枢纽关头，枢纽关头的类型通常有三种，这三种主要包括一个是前向，一个是侧摆，还有一个是旋转。现有的仿人机器人通常头部一般有 1-3 个自由度，就是 1-3 个枢纽关头，手臂一般是 4-7 个枢纽关头，人的手有 21 个枢纽关头，仿人机器人手通常是 2-13 个枢纽关头点居多，仿人机器人腿部一般是 6-7 个枢纽关头，使用 6 个枢纽关头的多一些。

② 国外钻研现状

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所有腿部除了正常的 6 个自由度之外，还有一个自由度是小腿的旋转自由度，这样机器人可以模拟人类走外八的步态，它也可以实现所有机器人的节能。另外，保守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。我们看到许多保守机器人，它的膝盖是弯曲的，是屈膝行走，还有它的小腿采用丝杆并联布局。

在所有机器人的设想过程中，除了关注于所有腿部布局的强度外还要关注刚度。WABIAN-2R 机器人的最快的步行速率是 1.8km/h。另外，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，通过这样的设想可以实现节能 64%。另外，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 种设想，然后根据设想目标：所有惯量最小、质量最轻，最终选了 k4 计划，另外在小腿上它也做了多个计划，最终对照选一个最优的计划。

下面介绍 LOLA 机器人小腿踝枢纽关头部分的启动体式格局，它把所有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，它用这种传送体式格局代替保守的那种滚珠丝杠，这种体式格局比保守的体式格局重量会更轻。这样他把小腿脚踝的枢纽关头启动器移到大腿上，膝盖也移到大腿。所有腿的重量对照轻，然后转动量也对照小。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钻研院的 DRC-HUBO 机器人。他们钻研机器人最早从 2005 年开始，经过迭代，开始速率是 1km/h，后来慢慢做到 1.5km/h。2015 年为了 DARPA 机器人挑战赛，对机器人做了改装，在原有的基础之上，增加另外一种轮式疏通体式格局。这样机器人有两种疏通体式格局，一种是步行、一种是轮式的体式格局，最终 2015 年他们获得了 DARPA 机器人挑战赛的冠军。我们可以看到轮式的速率就是行走速率的两倍。

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，以前许多机器人采用谐波减速器，这个机器人采用摆线针轮减速器传动体式格局，他把踝枢纽关头的两个枢纽关头的启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。同时它也是机械设想和控制工程师联合工作，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。

最后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，就是模拟鸟类所有腿部的布局。从上图可以看到这些双足鸟类，它们本身腿都很细，另外如果踩到不平整或凹陷的地方，他可以有很强的调整能力，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，首先把踝部的启动器移到膝枢纽关头下方的位置，同时把所有膝盖的启动器移到大腿的位置，也增加了一个连杆布局，促成了一个 SEA，另外髋前的枢纽关头，他做了一个 PEA 的布局，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。他本身弹性布局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，也是一个对照快的机器人。

③ 国内钻研现状

上图是哈工大的一个机器人，GOROBOT 原始设想是一个类猿的机器人，当时他们承接了国家的 863 计划，然后做的机器人，它对照突出的特点是头部的自由度对照多，做了 23 个自由度，其他方面自由度的布置与保守的区别不大。

汇童机器人是北京理工大学做的，他们也承接了国家 863 计划，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 年北京举办的世界机器人大会，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 整机构型的重要性

上面讨论了国外、国内的一些所有机械构型的钻研，其实我们总结来看，主要是 3 点，第一点是所有机器人构型对机器人的性能是有很重要的影响，首先是 DRC-HUBO 机器人，它有两种疏通体式格局，一个是步行的体式格局，一种是轮式的体式格局，轮式体式格局是步行体式格局是速率的两倍，这样他能在比赛中争夺更多时间，最终赢得冠军。另外还有 LOLA 机器人在小腿和大腿上的构型做了许多计划，最终选择一个最优计划，最终目的是通过构型的组合体式格局改变所有机器人的运行性能。

第二点是减少仿人机器人所有腿部重量和惯量对提升疏通性能有帮助，如果我们膝盖以下的转动量越小，这样在快速行走时需要的力就越小，因为快速行走本身有个加速率，惯量越小，需要力矩越小。我们看到 Digit 机器人把所有踝枢纽关头的启动器，还有所有膝盖的启动器都上移，最终实现速率上的大幅提升。

最后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，许多机器人都有体现，包括 DURUS 机器人和 Digit 机器人。如果只是电启动，它的功率密度是有极限的，从目前的钻研来看，电功率的密度和人体肌肉的功率密度比还是有差距的。所以，我们还要增加弹性机构来提高所有电启动体式格局的输出能力，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钻研及应用

①整机构型和伺服启动器的关系

总的来看，所有伺服启动器和整机构型之间有两种关系，一种是所有伺服启动器作为一个独立的模块，它可以单独的尝试和组装，然后再和整机的布局连接在一起。另外一种体式格局是伺服启动器的布局和整机布局融合在一起，伺服启动器本身不能单独去尝试，它只有与整机结合在一起才能进行尝试。像伺服启动器独立这种体式格局，采用此计划机器人对照多，如德国宇航局的 TORO，我们现在做的 Walker 目前是这个计划。第二种计划，像上面提到的国外的一些钻研：LOLA 机器人和 Digit 机器人，基本都是这种计划。

②仿人机器人枢纽关头疏通的特点

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，我们要了解人的枢纽关头和肌肉是怎么工作的。首先，看下枢纽关头疏通的特点，一个是它本身的疏通速率对照快、机动性好，因为人枢纽关头的步幅和步频都是变化的，还有一个是人脚着地点也是离散的且高速碰撞，怎么样才能满足这种枢纽关头疏通特点，即所有枢纽关头设想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。

为此提出一个弹性启动机器的概念，它的基础是来自 Hill 肌肉三元素力模型，主要由三部分组成，由上图可以看出 CE 是肌肉收缩单元，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，这两种模型最终转换为右边的 5 种形式，第一种是保守的刚性启动器，可以理解为是电机+减速器+编码器，这样构成一个刚性的启动器。第二种是保守的启动器+弹性单元，然后再连接负载，就是 SEA 串联启动器，图 c 就是在保守的启动器外并联一个弹性单元，就是 PEA。d 图显示了在 SEA 的基础上增加了一个离合，弹性单元可以起作用，也可以不起作用，它可以被控制。最后 e 图和 f 图是以上三种的一个组合形式。以人体肌肉模型为基础的弹性启动器成为近些年钻研的热点，有许多高校和钻研所都对这方面做了大量的钻研。

③ 仿人机器人伺服启动器的类型

下面总结下仿人机器人主要的伺服启动器类型，主要有三种，一种是保守的伺服启动器，另外一种是弹性伺服启动器，最后一种是本质伺服启动器。弹性伺服启动器最早是由麻省理工于 1995 年提出，本质伺服启动器也是麻省理工于 2016 年提出。

首先看下三种伺服启动器的特征，保守伺服启动器是无刷电机+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；弹性伺服启动器是在高传动比减速器和输出端之间增加弹性体；本质伺服启动器是高力矩密度电机+低传动比减速器+ 输出端。本质的意思就是本质感知外面的一些力，更直接的讲是通过电流来反馈你外面的力。最理想的是直驱，但是现有的电机由于它的所有性能不能满足机器人枢纽关头需求，所以还要加减速器，所以本质启动器是一个折中的计划。

保守伺服启动器技术对照成熟，也在许多领域得到广泛的应用，弹性伺服启动器在钻研阶段，许多还集中在高校和钻研所，本质伺服启动器主要应用场合还是在 4 足机器人或小型的双足机器人。

对于优必选伺服启动器的类型，我们仿人机器人做了几代，伺服启动器也迭代了几代，同时也做了许多的优化、尝试，我们的所有伺服启动器包括高密度无框力矩电机、双位置编码器、谐波减速器，在所有控制软件和安全监测也做了大量的工作

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，然后手臂有 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，其中小指和无门指是共用一个自由度，每条腿有 6 个自由度，类似于右图的布局。目前所有机器人是 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许多希望，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，所有手和腿的动作是相互协调，机器人识别自己的路径、环境，目前最大行走速率是 2km/h。

我们做过许多的调研，还有基于原有进行的一些尝试，现有的这些保守构型的体式格局，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。所以，我们做了许多前期的讨论和预研工作，包括现在想把所有踝部、膝盖的启动器位置都上移，减少所有腿部的惯量。

所有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，所有启动器计划做好之后，再设想所有机器人的构型，所有启动器设想好之后，再把三维模型放到仿真平台去做仿真，经过几轮迭代，得到一个对照优化的设想。设想和仿真完成之后，再去做实际的真机。

⑤ 减速器标准化制定

仿人机器人常用的减速器主要有三大类，第一个是邃密精美行星减速器，第二个是谐波减速器，第三个是摆线减速器。从回差角度看，邃密精美行星减速器是 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，邃密精美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。另外，邃密精美行星减速器用在服务机器人的场景和用在保守工业级的场景需求上还有许多不一样。谐波减速器在仿人机器人应用是对照广泛的，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，在保守的工业级机械臂上用的对照广泛。由于所有机器人对所有控制上要求对照高，所以回差是减速器发展的一个非常关键的指标。

目前的邃密精美减速器的标准有 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，是机器人用邃密精美齿轮传动装置实验方法的标准，但是这两个标准都没有对所有邃密精美减速器的回差尝试和评价做很详细的说明，只是对照简单说明一下，没有详细说明尝试方法和评价方法。但回差又是所有减速器一个非常重要的性能参数，所以 2019 年由北京工业大学石照耀教授牵头开展《邃密精美减速器回差尝试与评价》的制定工作，我们也在参与其中。另外，回差又分为静态和动态，尝试方法也不同，所以非常有必要建立一个国家级的标准。

⑥ 仿真平台

最后看下仿真平台的工作，无论对于任何设想仿真都非常重要，仿真平台可以帮助我们做一些硬件的设想和选型，同时还可以做一些算法的设想验证，还可以对一些场景做模拟和仿真。仿真平台可以缩短所有的研发周期，同时可以降低成本，减少设想的风险。

下面介绍下仿真平台大的思路，所有机械设想和疏通算法工程师一起让所有机器人系统做个优化。主要包括 3 部分，一个是设想变量，一个是限制条件，还有一个目标函数。设想变量包括枢纽关头长度、关键布局尺寸、伺服启动器的选型等，伺服启动器的选型包括电机，还有所有减速器，它可以有不同的组合；限制条件就是有布局刚度、枢纽关头力矩、步态轨迹等，最终的优化目标是所有机器人的总质量最轻，疏通性能最好。

上图左部分是在仿真环境 Walker 走路的视频，在仿真环境里，我们的疏通算法和机器人上的算法是一样的。右边是在真机上面的尝试，可以看出两个的区别是手臂仿真是没有动的，但腿部的所有步态是一样的。同时，我们也会对所有仿真和真机上的一些枢纽关头力矩的曲线去对照，仿真会更好的指导做一些设想和尝试。

大型仿人机器人整机构型的未来发展趋势

最后我们来讨论下大型仿人机器人整机构型的未来发展趋势，这是一个对照开放性的话题，总共有三点，第一点是伺服启动器和整机构型的融合设想，机电和疏通控制方面的联合仿真，实现机器人的最优设想。

第二点是引入弹性元件，为电启动伺服启动器提供辅助力矩和缓冲地面冲击，目前已经有许多钻研机构在做，但还没有一个成熟的商业的机器人应用这种技术，但这确实也是一个发展方向。

最后的一个是仿生学，尤其是仿人机器人，许多设想都是模拟人或动物背后的一些原理，原理上有新的一个构型设想出来。之前有一些机构做青蛙的所有腿部的构型，包括之前说的弹性启动器，它也是来自人体肌肉的模型。但是这些人体肌肉的钻研也会推动所有机器人的机械技术的发展。