米特拉人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造：具有擬人屬性的高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

盡管人形機(jī)器人的概念源于模仿人類運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，但現(xiàn)有系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)優(yōu)雅性和效率上仍與人類存在差距。造成這一差距的關(guān)鍵原因在于當(dāng)前人形機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和驅(qū)動(dòng)特性方面與人類存在差異。本研究旨在通過設(shè)計(jì)與人類特征高度相似的優(yōu)化人形機(jī)器人來縮小這一差距。為此，我們構(gòu)建了詳細(xì)的驅(qū)動(dòng)組件機(jī)電建?？蚣?，并基于該模型對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化（目標(biāo)函數(shù)基于前期研究成果）。這一過程不僅實(shí)現(xiàn)了高效能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還優(yōu)化了結(jié)構(gòu)部件的質(zhì)量與慣性分布，使其更接近人類。通過該設(shè)計(jì)流程開發(fā)的人形機(jī)器人米特拉（Mithra），初步測(cè)試表明其在類人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性方面達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，并具備爬樓梯、深蹲和奔跑等任務(wù)所需的驅(qū)動(dòng)能力。

引言 

人類運(yùn)動(dòng)力學(xué)經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，已能在復(fù)雜地形上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、柔順且自適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。受此啟發(fā)，大多數(shù)腿式機(jī)器人通過模仿人類下肢結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械腿，以適應(yīng)人類環(huán)境并促進(jìn)有效交互。近年來，人形機(jī)器人已被應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流、軍事任務(wù)、救援行動(dòng)和醫(yī)療輔助等領(lǐng)域。

在雙足機(jī)器人擬人化腿部設(shè)計(jì)中，需在靈活性、穩(wěn)定性和能效之間進(jìn)行權(quán)衡。基于McGeer被動(dòng)步行機(jī)的Ranger和Denise實(shí)現(xiàn)了高能效運(yùn)動(dòng)，但犧牲了魯棒性和多任務(wù)能力。而Atlas和ASIMO等機(jī)器人雖能在真實(shí)環(huán)境中展現(xiàn)出色的運(yùn)動(dòng)能力，但其運(yùn)輸成本顯著高于生物系統(tǒng)。MIT Cheetah、ATRIAS等機(jī)器人則嘗試通過高扭矩、可回驅(qū)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平衡多任務(wù)能力與被動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性。然而，這些機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)與人類存在顯著差異，導(dǎo)致其無法完全復(fù)現(xiàn)人類運(yùn)動(dòng)的高階特征，如關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)和擺動(dòng)相的腿部慣性利用。

本研究在前期提出的矢狀面擬人化腿部?jī)?yōu)化框架基礎(chǔ)上，將其擴(kuò)展至三維空間，并詳細(xì)闡述了該框架在新型人形機(jī)器人平臺(tái)Mithra開發(fā)中的應(yīng)用。基于人類平均數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)行走/奔跑軌跡，定義了Mithra的尺寸、關(guān)節(jié)活動(dòng)度、運(yùn)動(dòng)學(xué)及驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)。通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

雙足機(jī)器人設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

機(jī)械結(jié)構(gòu) 

腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)是人形機(jī)器人的核心特征。ASIMO、HUBO等機(jī)器人采用全擬人化下肢結(jié)構(gòu)，通常包含3自由度髖關(guān)節(jié)、1自由度膝關(guān)節(jié)和2自由度踝關(guān)節(jié)。這種六自由度模型能夠有效模擬人類下肢的主要運(yùn)動(dòng)模式，并便于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。

傳統(tǒng)串行關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)（圖1a）雖簡(jiǎn)化了機(jī)械與控制，但會(huì)增加腿部慣性，影響動(dòng)態(tài)性能。為降低慣性，驅(qū)動(dòng)單元常通過連桿或皮帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)離軸布置（圖1b）。WALK-MAN等機(jī)器人則采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖1c），通過機(jī)械增益降低驅(qū)動(dòng)扭矩需求，提升腿部剛度。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在踝關(guān)節(jié)的應(yīng)用可進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)緊湊性。

仿生設(shè)計(jì)通過雙關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和張拉整體結(jié)構(gòu)模擬人類肌肉骨骼系統(tǒng)，可降低控制帶寬需求并提升能量效率。然而，多驅(qū)動(dòng)協(xié)同控制的復(fù)雜性限制了其實(shí)際應(yīng)用。

驅(qū)動(dòng)機(jī)制 

電動(dòng)驅(qū)動(dòng)因控制簡(jiǎn)便、能量傳輸高效成為主流選擇。高減速比傳動(dòng)系統(tǒng)可提升扭矩密度，但會(huì)影響環(huán)境適應(yīng)性和沖擊魯棒性。串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)（SEA）雖改善了力控制性能，但降低了驅(qū)動(dòng)帶寬。

隨著無刷直流電機(jī)（BLDC）技術(shù)的發(fā)展，直接驅(qū)動(dòng)概念逐漸普及。MIT Cheetah的準(zhǔn)直接驅(qū)動(dòng)（QDD）系統(tǒng)通過關(guān)節(jié)力控制實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，但存在電機(jī)體積大、高速扭矩受限等問題。液壓驅(qū)動(dòng)雖具備高功率密度，但能效低、系統(tǒng)復(fù)雜，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

米特拉概念設(shè)計(jì) 

基于上述分析，我們開發(fā)了具備以下目標(biāo)的人形機(jī)器人Mithra： 

- 體型參數(shù)：身高1.75m，體重75kg（接近成年男性平均值） 

- 運(yùn)動(dòng)能力：六自由度下肢結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)活動(dòng)度與人類相當(dāng) 

- 動(dòng)力學(xué)特性：肢體質(zhì)量與慣性分布接近人類 

- 任務(wù)能力：3m/s奔跑、爬樓梯、深蹲等 

- 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：剛性軀干設(shè)計(jì)（無頭部及手臂） 

下肢采用標(biāo)準(zhǔn)六自由度配置（圖2b）：3自由度髖關(guān)節(jié)（偏航-滾轉(zhuǎn)-俯仰順序）、1自由度膝關(guān)節(jié)和2自由度踝關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)采用同軸驅(qū)動(dòng)以簡(jiǎn)化控制，膝踝關(guān)節(jié)通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)離軸驅(qū)動(dòng)，以降低擺動(dòng)相慣性。

設(shè)計(jì)優(yōu)化框架 

本研究將前期矢狀面優(yōu)化框架擴(kuò)展至三維空間，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型： 

1. 最小化能耗：基于人類行走/奔跑軌跡計(jì)算電機(jī)能量消耗 

2. 最小化被動(dòng)阻抗扭矩：以奔跑支撐相的未建模動(dòng)力學(xué)為指標(biāo) 

3. 最小化步長(zhǎng)時(shí)間：通過拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型評(píng)估快速恢復(fù)能力 

最終設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu) 

- 髖關(guān)節(jié)：三同軸驅(qū)動(dòng)單元，通過球面關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng) 

- 膝關(guān)節(jié)：平行四邊形四連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)單元位于大腿中部 

- 踝關(guān)節(jié)：空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，耦合兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)屈伸與內(nèi)外翻運(yùn)動(dòng) 

- 足部：基于HuMod數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，集成應(yīng)變傳感器檢測(cè)地面接觸 

通信架構(gòu) 

采用1kHz實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，通過CAN總線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信，EtherCAT連接微控制器單元（MCU）實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與結(jié)果 

Mithra關(guān)節(jié)活動(dòng)度與人類及其他機(jī)器人對(duì)比表明，其設(shè)計(jì)有效復(fù)現(xiàn)了人類下肢運(yùn)動(dòng)范圍。

與現(xiàn)有機(jī)器人相比，Mithra在關(guān)節(jié)扭矩和速度方面表現(xiàn)優(yōu)異，尤其是膝關(guān)節(jié)比扭矩達(dá)4.2 Nm/kg，滿足人類奔跑需求。

關(guān)節(jié)回驅(qū)扭矩僅為最大扭矩的1%，自由擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其高柔順性。

結(jié)論與展望 

本研究通過多目標(biāo)優(yōu)化框架實(shí)現(xiàn)了類人化人形機(jī)器人Mithra的設(shè)計(jì)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在能效、動(dòng)態(tài)性能和回驅(qū)性方面達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。未來工作將聚焦于步態(tài)控制算法開發(fā)，驗(yàn)證其在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力，并探索其在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。