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      一文讀懂機器人“關節”伺服驅動器的前世今生
      來源:北京精密 | 作者:北京精密 | 發布時間: 121天前 | 1038 次瀏覽 | 分享到:
      伺服驅動器是實現機器人運動能力的核心部件,在機器人系統中的功能等同于人體的關節組織,因此又被稱為“關節驅動器”;此外,它還要承擔一部分感知能力,感知外界的力之后再給外界一個力反饋,從而實現柔性控制,確保機器人在外界不斷變化的環境中安全、順暢地工作。

      機器人能跑能跳,能上下樓梯,端茶倒水的秘密武器是什么? 答案是伺服驅動器。


      伺服驅動器是實現機器人運動能力的核心部件,在機器人系統中的功能等同于人體的關節組織,因此又被稱為“關節驅動器”;此外,它還要承擔一部分感知能力,感知外界的力之后再給外界一個力反饋,從而實現柔性控制,確保機器人在外界不斷變化的環境中安全、順暢地工作。


      服務型機器人伺服驅動器技術門檻高,由于安裝空間和應用工況的限制,不僅需要體積小、重量輕,還得具備大扭矩、高精度的特點,往往占到機器人總成本50%以上。


      隨著服務機器人市場需求的快速增長,作為典型“高精尖”零部件的伺服驅動器正在受到廣泛關注。國際標準化組織齒輪技術委員會(ISO/TC60)委員、教育部長江學者特聘教授石照耀博士和優必選人形機器人創新中心專家丁宏鈺為此撰寫了《雙足仿人機器人驅動器——演進、現狀與前景》一文,充分探討伺服驅動器的發展歷程,分析了雙足仿人機器人關節的運動特點并提出了其核心技術指標,對剛性驅動器、彈性驅動器和準直驅驅動器三種主流技術路線的發展進行了論述和綜合比較,清晰地論述了下一階段驅動器原理的新研究方向和現有驅動器技術的發展趨勢。

      讓我們通過此文來了解機器人的關節——“伺服驅動器”。

      雙足仿人機器人驅動器——

      演進、現狀與前景

      雙足仿人機器人被譽為“制造業皇冠上的明珠”,機器人關節驅動器(也稱為機器人一體化關節)是雙足仿人機器人關鍵部件,按動力來源可以分為液壓、氣動、電機驅動、記憶金屬、生物類(心肌細胞)等,這里只討論電機驅動的驅動器。本文中驅動器由電機、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組成。

      雙足仿人機器人在很多應用場合可以協助或代替人類工作,如家庭助手、災難救援、防爆和反恐等。期望其接近甚至達到人類的運動性能,但無論是本田的ASIMO,還是波士頓動力ATLAS,亦或是意大利技術研究院的Walk-Man都沒有全面達到人或動物的運動性能。雙足仿人機器人關節運特點和人類類似,如運動速度快,機動性能好,步幅和步頻變化,能量新陳代謝變化,離散著地點,高速碰撞等。這些運動特點要求驅動器具有高功率密度、高響應性、高能量利用效率和耐沖擊性等特性。

      本文對剛性驅動器、彈性驅動器、準直驅驅動器的國內外研究現狀進行詳細論述,綜合比較3種驅動器技術,分析當前遇到的問題,提出了下一步的發展趨勢。

      一、驅動器的演進

      1971年,早稻田大學加藤一郎教授成功研制出世界上第1臺三維雙足機器人WAP-3,并實現靜步行走,揭開了雙足仿人機器人研制的序幕。

      雙足仿人機器人相對于傳統輪式和履帶式機器人有許多突出的特點,如雙足仿人機器人具有地面適應性好,能耗小,工作空間大,雙足或多足行走等,這些特點對機器人的機械結構及驅動器有很高的要求。

      雙足仿人機器人驅動器的研究已有30多年的歷史,其類型和歷史如圖1所示,其中有3個關鍵事件:

      1)1983年,早稻田大學研究的WL-10R機器人使用剛性驅動器TSA(traditional stiffness actuator)。自此雙足仿人機器人開始廣泛應用剛性驅動器為關節動力源。

      2)1995年,麻省理工學院的Pratt等人提出了彈性驅動器SEA(series elastic actuator)的概念,拉開了彈性驅動器研究的序幕。美國宇航局的機器人Valkyrie和意大利技術研究院的機器人Walk-Man都使用了彈性驅動器。

      3)2016年,Wensing等提出了準直驅驅動器PA(proprioceptiveactuator)的概念,并將其應用于四足機器人Cheetah和雙足機器人Hermes,準直驅驅動器成為最近幾年研究的熱點。


      圖1 驅動器類型和歷史


      過去30多年驅動器技術的發展,主要表現在以下幾方面:

      1)驅動器和整機關系方面,經歷了驅動器獨立設計到和整機融合的發展。

      2)整體設計方面,經歷了剛性驅動器到彈性驅動器和準直驅驅動器的發展。

      3)減速器方面,經歷了大傳動比減速器到小傳動減速器的演變。

      4)控制方面,經歷了從位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演變。

      二、驅動器的研發現狀

      2.1 剛性驅動器

      剛性驅動器主要由電機、高傳動比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成,力矩傳感器是可選擇項。


      圖2 剛性驅動器

      整體設計方面,Sebastian 等為機器人LOLA設計了驅動器,如圖2所示,包括無刷電機、諧波減速器、絕對編碼器和增量編碼器等。Iribe等為SDR 機器人開發了驅動器,此驅動器包括內轉子電機和精密減速器,它的特點是具有高反驅動能力。為了方便設計布局和拆裝,Park等提出了驅動器模塊化設計概念。表1所示是目前主要剛性驅動器配置比較,除韓國Robotis的Dynamixel Pro Series的驅動器采用擺線針輪減速器外,其他均采用諧波減速器,為了節省軸向尺寸空間剎車和力矩傳感器不是必選的,所有的設計都使用了絕對式編碼器,因為通常機器人本體會裝有陀螺儀IMU(inertial measurement unit),驅動器很少另外再裝設IMU。


      表1 剛性驅動器配置比較

      優化設計方面,Huber等提出了一種基于執行器的性能特征選擇最適合給定任務的執行器類型的法。Van de Straete等提出驅動器的新設計方法,將設計分為可行性和優化階段。為伺服驅動系器統提供了快速,自動化的設計程序,同時可以圖表顯示結果。Roos等就減速器傳動比對驅動器性能影響、伺服電機和減速器集成優化、機械和控制整合設計進行了研究。Vaculik等研究了驅動器的設計流程,建立電機和減速器參數模型。

      為了平衡電機和減速器參數,Zhou等開發了由MSC.ADAMS動力學模型和Matlab代碼優化算法組成的協同仿真平臺,該平臺通過電機和減速器不同組合實現五軸機械臂的重量輕量化。Budinger等建立了基于模型的機電執行器初步設計的估算模型。Rezazadeh等研究了機器人系統中一般負載下驅動器電動機和傳動裝置的機電選擇優化解決方案。Saerens等針對機器人最大連續輸出扭矩和轉動慣量,根據減速器級數、傳動比和不同類型的尺寸參數,制定了比例定律。

      由上述分析可知,剛性驅動器的整體設計方面已經較難有創新,更多研究集中在電機和減速器整體優化設計上。然而由于元器件工藝和原理上的限制,傳統剛性驅動器的功率密度很難達到生物肌肉的水平500 W/kg,同時也解決不了機器人受外部沖擊時零部件強度問題,繼而彈性驅動器應運而生。

      2.2 彈性驅動器

      使用TSA的機器人在行走、奔跑、跳躍等運動能力上遠遠沒有達到人類和動物的水平,而人類和動物實現這些運動能力是依靠肌肉系統實現的。動物利用剛柔并濟的肌肉骨骼系統在運動過程中儲存和釋放能量,調節能量在時間和功率密度上的不匹配,提高關節瞬時爆發力,高效循環利用能量,同時能夠實現落地緩沖。為此科研人員研究各種自適應的彈性驅動器來模擬肌肉系統功能,使關節表現出柔順、安全和高能量效率特性。

      彈性驅動器的原理主要借鑒Hill肌肉三元素力學模型。如圖3所示,其中 CE (contractile element)是肌肉收縮單元,SE(serieselement)是串聯彈性單元,PE(parallelelement)是并聯彈性單元,組合后主要有PS(parallel-series)肌肉模型和SP(series-parallel)肌肉模型2種形式。根據 PS 和 SP 肌肉模型結構,由結構相似性可得到如圖4e所示的并串式彈性驅動器 PSEA(parallel series elastic actuator)和串并式彈性驅動器SPEA(series parallel elastic actuator)2種仿生彈性驅動器結構。

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