德國人形機(jī)器人突破體重大關(guān)，高2米僅重62.5kg！串并聯(lián)混合設(shè)計(jì)更輕更靈活

大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

倒立、跑酷、360度轉(zhuǎn)體、踢足球，人形機(jī)器人的發(fā)展是越來越逆天了。

在這些逆天的動(dòng)作下，機(jī)器人的設(shè)計(jì)其實(shí)有很多講究。

為了提高人形機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能，它們需要一種剛性結(jié)構(gòu)和質(zhì)量慣性特性的最優(yōu)分布。

這是什么意思呢？打個(gè)比方，如果兩個(gè)機(jī)器人的身高都是1米8，那么體重更輕那個(gè)，由于慣性減少，可以更輕松的完成運(yùn)動(dòng)范圍，也就是“更靈活”。

最近，德國人工智能研究中心開發(fā)了一款人形機(jī)器人RH5，其高2m，重量僅為62.5kg，這比多數(shù)只有1.5米高的人形機(jī)器人的體重還要輕，不僅如此，RH5每只手都可執(zhí)行5公斤有效載荷的重型動(dòng)態(tài)任務(wù)。

突破體重大關(guān)——串并聯(lián)混合設(shè)計(jì)

要想讓人形機(jī)器人“更輕”“更靈活”，剛性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，常見的幾種剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下幾種：

串聯(lián)和樹型結(jié)構(gòu)在機(jī)械臂中非常常見，功能性多、工作空間大、建模和控制都很簡單，然而，該結(jié)構(gòu)建造的人形機(jī)器人往往很笨重，通常受到速度和力/扭矩的限制。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人可以提供更高的剛度、速度、精度和有效載荷能力，但工作空間卻相對(duì)減少，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，且需要仔細(xì)分析和控制。

RH5機(jī)器人受人類關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用了串并聯(lián)混合設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)結(jié)合了串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，可以大大減輕其重量，提高其結(jié)構(gòu)剛度和動(dòng)態(tài)特性。

機(jī)器人的設(shè)計(jì)比例與人類很接近，渾身上下共有34個(gè)DOF，連續(xù)排列的旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器可以增加運(yùn)動(dòng)范圍，對(duì)于運(yùn)動(dòng)范圍小的關(guān)節(jié)，例如踝關(guān)節(jié)，研究人員還添加了側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)，具有良好的扭矩-速度特性，同時(shí)最大限度地減少整體重量和腿部慣性，可以輕松實(shí)現(xiàn)類人運(yùn)動(dòng)范圍。

說到這，小編想起之前介紹過的人形機(jī)器人TORO，同為德國公司出品，它具有良好的路況動(dòng)態(tài)步行能力，但其小腿設(shè)計(jì)使用了串聯(lián)結(jié)構(gòu)，RH5 機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)可以為提供比 TORO 踝關(guān)節(jié)更好的最大速度和扭矩，而不會(huì)影響運(yùn)動(dòng)范圍；同時(shí)，RH5小腿的重量是TORO小腿重量的一半，僅有2.3kg，而兩條小腿的長度幾乎相等。

全身軌跡優(yōu)化算法，穩(wěn)定性提升Get！

RH5串并聯(lián)混合的結(jié)構(gòu)可以讓機(jī)器人減輕重量，提高動(dòng)態(tài)特性，但同時(shí)這也是一個(gè)高度復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，此類機(jī)器人的通用處理仍然是一個(gè)懸而未決的問題，建模深度和準(zhǔn)確性與計(jì)算效率之間總是存在權(quán)衡。

為此，研究人員提出了一種改進(jìn)的接觸穩(wěn)定性軟約束DDP算法，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行分析和控制，這是一種基于微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃的全身軌跡優(yōu)化技術(shù)，能夠生成物理一致的人形行走軌跡，并通過物理模擬器中的簡單PD位置控制來跟蹤。

RH5機(jī)器人采用了一種混合控制方法，由于機(jī)器人有多個(gè)平行的關(guān)節(jié)模塊，運(yùn)動(dòng)控制可以以完全分散的方式實(shí)現(xiàn)，它結(jié)合了局部的低級(jí)電機(jī)控制和中央控制器的高級(jí)控制，從而實(shí)現(xiàn)具有低延遲的本地控制回路。

來看看RH5人形機(jī)器人的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果，穩(wěn)定性表現(xiàn)非常不錯(cuò)！

單腳抬起的穩(wěn)定性：

做一組膝蓋關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)：

目前，研究人員只對(duì)RH5人形機(jī)器人進(jìn)行了簡單的測(cè)試，一起期待它未來更精彩的表現(xiàn)吧！

【參考鏈接】

https://arxiv.org/abs/2101.10591

https://www.youtube.com/watch?v=jjGQNstmLvY