四足机器人SOLO技术详解--问题讨论翻译

Posted 2021-07-16 灯哥开源

Ⅳ. 问题讨论

1） 设计选择：

设计一个低重量的四足机器人，同时保持有效的阻抗和力控制能力需要我们将这些功能相互协调地设计。我们设计一个新型足式机器人，使用无刷直流电机进行驱动，因为它们是一种高性能和低重量的电机 [28]，具有足够低的传动比（9:1），以实现本体驱动[4]，[23]。这种电机不需要专用的力传感器，因为关节力矩是直接从电机的电流测量值估算出来的[33]。低传动比齿轮结构具有低摩擦和低损失的优势，而齿轮零件变小和数量减少，同时减少了振荡负载下反射惯性的损失[24]。由于力矩的波动变化很慢，我们采用了非专业级别的无刷电机。在正常的运动能对其进行复合预期的控制，但进行一些缓慢且细致的控制时需要对其进行主动补偿。

足式机器人承受冲击产生的会使力矩达到峰值，这对齿轮部件施加很高的动态载荷。单点接触且接触面小的正齿轮不太适合承受这种载荷，这中齿轮也很少出现在实现跳跃功能的机器人中，除非在腿干 [20]、[26]或腿角方向[5]的结合机械顺从性使用。虽然圆环形行星齿轮需要承受在多个齿轮-[33]、电缆-[14]、[19]、皮带-[23]和链传动[13]、[16]组合成的系统中的大部分负载，但它们在关节处于峰值力矩时表现出很高的稳定性，并能以较低的反射惯性在较长距离上传输功率。因此我们决定采用低重量、传动比为9:1的双级同步带传动来能够承受运动时的剧烈冲击。

机器人在平坦的环境移动时并不需要使用额外的传感器进行辅助。然而，在未知地形上很难可靠快速地估计接触地时受到的低作用力。所以我们在机器人的原有的接触探测上，在足端安装的足式传感器，两者相互结合共同对触地作用力进行探测。很少有传感器能在腿部高速触地时产生的剧烈冲击下保持作用。当运动是触地作用集中在一只脚上时，其峰值力可能超过体重的两倍[33]。基于压电偏转弹性材料或光学传感的轻量级力传感已经在文献[18]，[23]证实，其他的接触传感器利用嵌入磁铁在橡胶材料中的偏转 [2]，或者通过惯性变化来实现对撞击的测量 [15]。这些传感概念相对复杂，这里我们提出了类似于Hsieh[10]的一种基于弹簧加载光圈的简单而廉价的设计所实现的接触传感。

2）阻抗控制能力：

我们通过对电流测量来对出电动机的力矩。但是由于齿轮损耗、皮带和腿的结构活动以及惯性损耗，在末端执行器处产生的输出力矩与通过电流计算的不同。然而，我们的实验结果表明阻抗控制是可行的。对腿部刚度的系统测试表明，致动器模块可作为构建高性能力控机器人的基础。作为比较，报告的人类跑步时腿部刚度值[6]范围为 $k=7kN/m$ 至 $16.3kN/m$ 。对于一个75公斤，腿长1米的人来说，通过公式 [25] $\tilde{k}=k\cdot l_0/(mg)$，得出腿部的无量纲刚度介于 $\tilde{k}=10$ 和 $22$ 之间。在我们的2自由度腿部实验中，我们测量出其腿部刚度为 $266N/m$，对应于$10.8$ 的腿部无量纲刚度，这表明机器人的腿部刚度与人类腿部刚度在相同范围内，也就是说人腿上能实现的能力在机械腿上也能实现。因为阻抗或力控制性能很少被描述，所以很难与其他四足机器人进行对比。根据由 $10kg$液压驱动的HyQ机器人腿部的报告[27，图12]，我们估计HyQ腿的无量纲刚度为 $\tilde{k}=5250N/m\cdot 0.3m/(10kg\cdot 9.81m/s^2)$，略高于Solo的无量纲刚度。

3） 开源和推广：

本项目所需的机电硬件蓝图和软件都是BSD-3-clause license[1]下的开源软件，其他实验室可以用很荣誉地对机器人进行复制和改进。与此同时，另外三个实验室正在制作他们自己的四足动物复制品，我们实验室也在研发一个髋关节内收/外展自由度的全无线12自由度四足机器人。致动器模块价格低廉，整个8自由度四足机器人的制造成本约为 4000 欧元。机器人重量轻，操作简单，便于运输和安全操作，大大简化了实验环境。我们已经展视了制动器模块的安装，但也其他配置安装也于其类似。例如，将多条腿模块重新配置组装成用于控制的机械臂结构。这个平台也可以作为一个教育工具。例如，这条腿被用来教纽约大学的高中实习生机器人技术。

V. 总结

本文提出了一种用于力矩控制足式机器人的开源低成本制动器模块和脚踏式接触传感器。我们开发了该系统的硬件、电子设备和固件/软件，以支持腿部机器人运动研究，该机器人坚固耐用，重量轻，可由一名研究人员安全操作。实验表明，该机器人能在动态测试中产生良好的阻抗调节功能。我们介绍了基于kino-dynamic算法，实现的能对全身运动进行各个位置力矩调节的控制器。我们预计，这个开源项目将降低机器人的进入门槛，并导致机器人的进一步发展，从而使机器人界受益。

双足轮开源技术交流QQ群：543613782

参与翻译者：灯哥开源团队，BQ

原文论文：An Open Torque-Controlled Modular Robot Architecture for Legged Locomotion Research——Felix Grimminger1, Avadesh Meduri1,3, Majid Khadiv1, Julian Viereck1,3, Manuel W¨uthrich1 Maximilien Naveau1, Vincent Berenz1, Steve Heim2, Felix Widmaier1, Thomas Flayols4 Jonathan Fiene2, Alexander Badri-Spr¨owitz2 and Ludovic Righetti1,3