大型仿人机器人整机构型研究及应用

大型仿人机器人整机构型研究及应用Dream with Robotswww.ubtrobot.com优必选研究院技术专家 — 丁宏钰大型仿人机器人整机构型研究现状 010203目录CONTENT大型仿人机器人整机构型的未来发展趋势优必选大型仿人机器人整机构型的研究及应用① 大型仿人机器人机械概述② 国外研究现状③ 国内研究现状④ 整机构型的重要性① 整机构型和伺服驱动器的关系② 仿人机器人关节运动的特点③ 仿人机器人伺服驱动器的类型④ Walker机器人的整机构型⑤ 减速器标准化制定⑥ 仿真平台大型仿人机器人整机构型研究现状大型仿人机器人机械概述机器人主要由机械部分、控制部分和传感部分组成，其中机械部分是其它部分的重要基础。人机交互系统控制系统驱动系统机械系统感知系统机器人与环境交互系统控制部分机械部分传感部分大型仿人机器人机械概述仿人机器人机械部分按系统分包括驱动系统和机械系统，按机械部位分为头、胸腔、手臂、手、腿和足等构成。头手臂手胸腔腿足大型仿人机器人头部手足腿胸腔手臂大型仿人机器人机械概述整机构型是大型仿人机器人机械部分的关键点之一，它与关节的数量及布置方式紧密相关。人体有206块骨头，大的关节有78个，有六种类型关节。一般大型仿人机器人关节有15-70个，关节类型有三种。人体关节类型和分布一般大型仿人机器人关节类型及分布国外研究现状WABIAN-2R 腿部丝杆并联结构，结构设计要兼顾强度和刚度。机器人身高1.54m，体重64kg，41自由度，步行速1.8km/h。国外研究现状WABIAN-2R被动脚掌采用聚氨酯橡胶作为软质材料模拟足拱的弹性。国外研究现状LOLA膝关节设计，惯量：K4 < K2 < K1，质量：K4 < K1 < K2。踝关节同样也多方案比较，选择最优设计。国外研究现状LOLA小腿并联机构使用行星滚柱丝杠替代滚珠丝杠，可以降低重量。身高1.8m，重55kg，25个自由度，行走速度3.6km/h。国外研究现状DRC-HUBO 机器人身高1.7m，重量70kg，自由度32，两种运动模式，可以相互切换，轮式最大速度为3.6km/h，最大行走速度1.8km/h国外研究现状DURUS踝关节的Roll和Pitch的驱动器物理位置都被提高，通过四连杆将运动传递下来；脚踝增加被动弹簧，柔顺性远大于一般用于节能的弹簧。机械设计与控制工程师合作，进行设计迭代关节力矩450 Nm减少到150 Nm。国外研究现状Digit 踝前驱动上提，膝盖关节上移，采用弹性玻璃纤维板，使得膝关节成为一个带弹性的柔性关节，减小地面冲击，储存机械能。Digit身高1.55m，重量55kg，最大行走速度5km/h。国内研究现状GOROBOT-Ⅲ身高1.58m，体重90kg，头部有23个自由度，手有9个自由度，机器人共70个自由度。国内研究现状汇童机器人汇童机器人第二代数据（2005），身高1.65m，重量65kg，自由度32，行走速度1.2km/h。汇童6P机器人具备摔倒后爬起、翻滚、行走和爬行能力。整机构型的重要性根据以上对国内外大型仿人机器人整机构型研究现状的介绍，其重要性体现如下三点：整机构型对仿人机器人的运动性能有重要影响Lola机器人做了多种大腿和小腿的结构比较，最后从中选优，其目的就是通过构型的改变提高机器人运动性能。减少仿人机器人重量和腿部转动惯量对提升其运动性能有帮助Digit机器人将膝盖伺服驱动器上移到大腿，踝关节伺服驱动器上移到小腿，减少腿部转动惯量，步行速度明显提升。增加腿部弹性机构可减少仿人机器人行走冲击力和储能Digit机器人减少腿部转动惯量，同时增加弹性元件，提升机器人运动能力和安全性。优必选大型仿人机器人整机构型研究及应用整机构型和伺服驱动器的关系伺服驱动器作为独立模块和整机连接整机构型和伺服驱动器的两种关系伺服驱动器结构和整机结构融合一体仿人机器人关节运动的特点仿人机器人的主要运动步态包含步行、疾跑和跳跃等，这些运动步态都具有仿生离散运动步态特征。这就要求机器人伺服驱动器具有瞬时高功率输出、高能量利用效率、抗瞬时冲击能力。传统的伺服驱动器方案由于器件性能限制已经很难满足机器人运动需求，以人体肌肉模型为基础的弹性驱动器成为近些年研究的热点。仿人机器人伺服驱动器的类型伺服驱动器种类传统伺服驱动器弹性伺服驱动器本体伺服驱动器伺服驱动器原理方案特征无刷电机+高传动比减速器+（高刚性力矩传感器）+输出端无刷电机+高传动比减速器+弹性体+输出端高力矩密度电机+低传动比减速器+输出端力矩测量方法电流或应变原理编码器原理电流技术成熟度成熟度高研究发展中新兴技术应用场景传统双足仿人机器人，工业机器人双足仿人机器人，协作机械臂四足机器人，小型双足仿人机器人仿人机器人伺服驱动器的类型优必选自主研发的大型伺服驱动器优必选大型伺服驱动器集成了高密度无框力矩电机、双位置编码器、谐波减速器和高性能处理控制器于一体，在硬件设计上采用多重安全监测和故障保护机制，在软件上采用增强型伺服控制算法。Walker机器人的整机构型大型仿人服务机器人Walker，身高1.45m，重量74kg，自由度36，行走速度2.0km/h。6x2个自由度4x2个自由度7x2个自由度2个自由度大型仿人服务机器人Walker让人形机器人进入家庭，成为家庭重要的一员，是优必选从未改变过的目标。Walker机器人是优必选为实现这一目标迈出的坚实一步。Walker具备36个高性能伺服关节以及力觉、视觉、听觉和平衡等全方位的感知系统，可以实现平稳快速的行走和灵活精准的操作。Walker具备了在常用家庭场景和办公场景的自由活动和服务的能力，开始真正走入人们的生活。产品介绍Walker机器人的整机构型Walker机器人亮相2020CES国际消费类电子产品展览会Walker机器人的整机构型质心上移 踝部（两自由度正交） 膝部（单自由度独立） 髋部（三自由度正交）驱动部件上移至膝处驱动部件上移至大腿驱动部件位置不变参数需求传动方案设计一体化同步带连 杆………..关节方案目标输入特定输入关节设计结构设计关节空间位置关系必要性验证腿部整体结构电机选型减速器选型结构输出关节输出角度范围尺寸限制仿真验证减速器标准化制定减速器种类精密行星减速器谐波减速器摆线减速器减速器图片回差（度）0.05-0.33（3-20弧分）0.0083-0.033（0.5-2弧分）0.0017-0.025（1-1.5弧分）主要应用场景自动化生产线、四足机器人、服务机器人服务机器人、工业机器人服务机器人、工业机器人典型机器人以下是仿人机器人常用减速器，回差是仿人机器人用精密减速器的关键性能指标之一。减速器标准化制定现有的精密减速器标准GB/T 30819-2014《机器人用谐波减速器》和GB/T 35089-2018《机器人用精密齿轮传动装置 实验方法》，对于机器人精密减速器的回差都没有详细规定，为此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》的制定工作。仿真平台缩短开发周期 降低开发成本 减少设计风险硬件设计与选型 产品概念细化机械结构参数 关节速度力矩指导电机选