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一文读懂机器人“关节”伺服驱动器的前世今生
来源:北京精密 | 作者:北京精密 | 发布时间: 70天前 | 742 次浏览 | 分享到:
伺服驱动器是实现机器人运动能力的核心部件,在机器人系统中的功能等同于人体的关节组织,因此又被称为“关节驱动器”;此外,它还要承担一部分感知能力,感知外界的力之后再给外界一个力反馈,从而实现柔性控制,确保机器人在外界不断变化的环境中安全、顺畅地工作。

机器人能跑能跳,能上下楼梯,端茶倒水的秘密武器是什么? 答案是伺服驱动器。


伺服驱动器是实现机器人运动能力的核心部件,在机器人系统中的功能等同于人体的关节组织,因此又被称为“关节驱动器”;此外,它还要承担一部分感知能力,感知外界的力之后再给外界一个力反馈,从而实现柔性控制,确保机器人在外界不断变化的环境中安全、顺畅地工作。


服务型机器人伺服驱动器技术门槛高,由于安装空间和应用工况的限制,不仅需要体积小、重量轻,还得具备大扭矩、高精度的特点,往往占到机器人总成本50%以上。


随着服务机器人市场需求的快速增长,作为典型“高精尖”零部件的伺服驱动器正在受到广泛关注。国际标准化组织齿轮技术委员会(ISO/TC60)委员、教育部长江学者特聘教授石照耀博士和优必选人形机器人创新中心专家丁宏钰为此撰写了《双足仿人机器人驱动器——演进、现状与前景》一文,充分探讨伺服驱动器的发展历程,分析了双足仿人机器人关节的运动特点并提出了其核心技术指标,对刚性驱动器、弹性驱动器和准直驱驱动器三种主流技术路线的发展进行了论述和综合比较,清晰地论述了下一阶段驱动器原理的新研究方向和现有驱动器技术的发展趋势。

让我们通过此文来了解机器人的关节——“伺服驱动器”。

双足仿人机器人驱动器——

演进、现状与前景

双足仿人机器人被誉为“制造业皇冠上的明珠”,机器人关节驱动器(也称为机器人一体化关节)是双足仿人机器人关键部件,按动力来源可以分为液压、气动、电机驱动、记忆金属、生物类(心肌细胞)等,这里只讨论电机驱动的驱动器。本文中驱动器由电机、减速器、编码器、控制板和控制软件等组成。

双足仿人机器人在很多应用场合可以协助或代替人类工作,如家庭助手、灾难救援、防爆和反恐等。期望其接近甚至达到人类的运动性能,但无论是本田的ASIMO,还是波士顿动力ATLAS,亦或是意大利技术研究院的Walk-Man都没有全面达到人或动物的运动性能。双足仿人机器人关节运特点和人类类似,如运动速度快,机动性能好,步幅和步频变化,能量新陈代谢变化,离散着地点,高速碰撞等。这些运动特点要求驱动器具有高功率密度、高响应性、高能量利用效率和耐冲击性等特性。

本文对刚性驱动器、弹性驱动器、准直驱驱动器的国内外研究现状进行详细论述,综合比较3种驱动器技术,分析当前遇到的问题,提出了下一步的发展趋势。

一、驱动器的演进

1971年,早稻田大学加藤一郎教授成功研制出世界上第1台三维双足机器人WAP-3,并实现静步行走,揭开了双足仿人机器人研制的序幕。

双足仿人机器人相对于传统轮式和履带式机器人有许多突出的特点,如双足仿人机器人具有地面适应性好,能耗小,工作空间大,双足或多足行走等,这些特点对机器人的机械结构及驱动器有很高的要求。

双足仿人机器人驱动器的研究已有30多年的历史,其类型和历史如图1所示,其中有3个关键事件:

1)1983年,早稻田大学研究的WL-10R机器人使用刚性驱动器TSA(traditional stiffness actuator)。自此双足仿人机器人开始广泛应用刚性驱动器为关节动力源。

2)1995年,麻省理工学院的Pratt等人提出了弹性驱动器SEA(series elastic actuator)的概念,拉开了弹性驱动器研究的序幕。美国宇航局的机器人Valkyrie和意大利技术研究院的机器人Walk-Man都使用了弹性驱动器。

3)2016年,Wensing等提出了准直驱驱动器PA(proprioceptiveactuator)的概念,并将其应用于四足机器人Cheetah和双足机器人Hermes,准直驱驱动器成为最近几年研究的热点。


图1 驱动器类型和历史


过去30多年驱动器技术的发展,主要表现在以下几方面:

1)驱动器和整机关系方面,经历了驱动器独立设计到和整机融合的发展。

2)整体设计方面,经历了刚性驱动器到弹性驱动器和准直驱驱动器的发展。

3)减速器方面,经历了大传动比减速器到小传动减速器的演变。

4)控制方面,经历了从位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演变。

二、驱动器的研发现状

2.1 刚性驱动器

刚性驱动器主要由电机、高传动比减速器、编码器、力矩传感器和控制板等组成,力矩传感器是可选择项。


图2 刚性驱动器

整体设计方面,Sebastian 等为机器人LOLA设计了驱动器,如图2所示,包括无刷电机、谐波减速器、绝对编码器和增量编码器等。Iribe等为SDR 机器人开发了驱动器,此驱动器包括内转子电机和精密减速器,它的特点是具有高反驱动能力。为了方便设计布局和拆装,Park等提出了驱动器模块化设计概念。表1所示是目前主要刚性驱动器配置比较,除韩国Robotis的Dynamixel Pro Series的驱动器采用摆线针轮减速器外,其他均采用谐波减速器,为了节省轴向尺寸空间刹车和力矩传感器不是必选的,所有的设计都使用了绝对式编码器,因为通常机器人本体会装有陀螺仪IMU(inertial measurement unit),驱动器很少另外再装设IMU。


表1 刚性驱动器配置比较

优化设计方面,Huber等提出了一种基于执行器的性能特征选择最适合给定任务的执行器类型的法。Van de Straete等提出驱动器的新设计方法,将设计分为可行性和优化阶段。为伺服驱动系器统提供了快速,自动化的设计程序,同时可以图表显示结果。Roos等就减速器传动比对驱动器性能影响、伺服电机和减速器集成优化、机械和控制整合设计进行了研究。Vaculik等研究了驱动器的设计流程,建立电机和减速器参数模型。

为了平衡电机和减速器参数,Zhou等开发了由MSC.ADAMS动力学模型和Matlab代码优化算法组成的协同仿真平台,该平台通过电机和减速器不同组合实现五轴机械臂的重量轻量化。Budinger等建立了基于模型的机电执行器初步设计的估算模型。Rezazadeh等研究了机器人系统中一般负载下驱动器电动机和传动装置的机电选择优化解决方案。Saerens等针对机器人最大连续输出扭矩和转动惯量,根据减速器级数、传动比和不同类型的尺寸参数,制定了比例定律。

由上述分析可知,刚性驱动器的整体设计方面已经较难有创新,更多研究集中在电机和减速器整体优化设计上。然而由于元器件工艺和原理上的限制,传统刚性驱动器的功率密度很难达到生物肌肉的水平500 W/kg,同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题,继而弹性驱动器应运而生。

2.2 弹性驱动器

使用TSA的机器人在行走、奔跑、跳跃等运动能力上远远没有达到人类和动物的水平,而人类和动物实现这些运动能力是依靠肌肉系统实现的。动物利用刚柔并济的肌肉骨骼系统在运动过程中储存和释放能量,调节能量在时间和功率密度上的不匹配,提高关节瞬时爆发力,高效循环利用能量,同时能够实现落地缓冲。为此科研人员研究各种自适应的弹性驱动器来模拟肌肉系统功能,使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性。

弹性驱动器的原理主要借鉴Hill肌肉三元素力学模型。如图3所示,其中 CE (contractile element)是肌肉收缩单元,SE(serieselement)是串联弹性单元,PE(parallelelement)是并联弹性单元,组合后主要有PS(parallel-series)肌肉模型和SP(series-parallel)肌肉模型2种形式。根据 PS 和 SP 肌肉模型结构,由结构相似性可得到如图4e所示的并串式弹性驱动器 PSEA(parallel series elastic actuator)和串并式弹性驱动器SPEA(series parallel elastic actuator)2种仿生弹性驱动器结构。

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