双足机器人SHERPA的新型机械设计 2 恢复.docx

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双足机器人SHERPA的新型机械设计2恢复

双足机器人SHERPA的新型机械设计

使用2自由度钢索差分关节模块

IonutMihaiConstantinOlaru,SébastienKrut,FrançoisPierrot

摘要：

本文讨论的是双足机器人SHERPA（可以行走和负重的双足平台）的机械运动学解决方案和设计方法。

从分析人类下肢入手，我们弄清楚了，正确的步行运动的基础是每条腿6个自由度，这可以在一个仿人机器人的机械设计中采用。

近一步对关节的研究指示我们一种新型的模块化的机械设计，这种设计具有并行结构机制和可互换组件的特点。

这个机器人使用了十二个成对平行作用的高性能空心轴电动舵机，一种远程的显而易见的无冲击钢索传输驱动。

下肢每段间有个2自由度差动关节。

下肢采用模仿人体的碳纤维骨架。

2自由度钢索差分关节使用在髋部、膝部和踝关节处。

使用这种方法，驱动变得更显而易见（可反向，低惰性），并且使SHERPA能够更好和环境适应以取得更好的行走能力。

I.简介

有腿的机器人越过障碍、不平整地面行走、爬楼梯、在通道或人工设计环境中行走的能力，是比轮式机器人更好的解决方案。

因此，从二十世纪七十年代初期的加藤[1]推出的第一个静态双足机器人起，众多的项目如[2]，[3]、[4]、[5]的开发和整个世界的努力，都致力于开发一种能够在不平地面上行走、爬楼梯、在行进中变向、上下坡的机器。

尽管接近仿人和双足步行的研究有一段历史了，即使是在现在，仍远未实现克服所有挑战，部分原因在于硬件条件的限制，在机械设计方面部分的原因是由于控制的复杂性。

定性的机器人能够模仿人体步态的成就依靠在不同的领域，如机械设计、自动控制、计算机体系结构和所有参与这种复杂的项目其他技术问题研究之间的紧密合作。

关于机械方面，最高级的仿人机器人发展到目前为止已建成使用工业机器人样技术（古典的电动执行机构、齿轮减速机，以串行方式排列的节点）。

其结果是，功率重量比没有得到优化。

使用不同类型和能源如气动、液压和电动的双足步行机，已经通过世界各地不同研究小组使用外部或者板上电源的测试[6]-[11]。

即使"传统电机+齿轮+串行安排"的组合适合工业要求（高精度和高刚度），但它不可能最佳解决仿人机器人的要求。

于是一种新的技术在这里提出（基于高扭矩驱动动器、不反弹钢索传输，并行的配置）以便更好地满足的仿人机器人需要。

一旦使用我们的技术，驱动将更加显而易见（可反向，低惯性），并使我们的原型机更好的适应环境已取得高质量的步行能力。

此外，归功于模块化设计，整体结构可以简单继承。

以尼泊尔夏尔巴人口的名称命名SHERPA，我们的机器人是双足步行的和能够承受载荷的机器人。

它基于并行驱动和肌腱驱动元素。

我们的目标是开发一个能够重现人体步态行走的模型，并设计更有效高功率质量比的结构的。

出于此原因，此机器人的主要结构选择了拟人的特点，拥有类似人类下肢中有段长和运动范围的关节。

钢索差动关节采用模块化设计概念，结合并行机械概念，无反弹差分钢索传动，还有新型的中空舵机。

整合这些创新概念，以及克服一些存在的缺点我们希望取得双足步行机器人的新体系结构。

在本文的以下部分中，我们集中于机械设计的细节和SHERPA的不同的机械零部件设计的原理上。

II.SHERPA的运动学结构

如前文所述，尽管我们的机器人具有拟人特性，我们并未试图完全复制人体模型所有的自由度，但我们考虑获得最小数目的自由度，以达到顺利行走和要完根据环境约束完成不同的任务，如正常水平的地形和斜坡上行走，躲避障碍和行进中方向变化。

对人类腿结构的解剖学研究启发我们走得更远，并在考虑了人体的筋腱驱动和骨骼片段情况下选择了一种钢索驱动元素。

通常认为，人体下肢的骨骼肌肉组织有9个自由度来完成行走。

同时，过多的自由度可能成为缺点，带来控制上的问题。

Zatsiorsky[12]体现了人体每个关节的作用和忽视行走中某些自由度、运动最大振幅的后果。

由于SHERPA机器人的设计焦点只在腿部，图2分析了人体运动学和下肢建模；我们恰好发现每条腿6个自由度就足够重现人类步行姿态。

图2中3H/1K/2A（3DOF-Hip/1DOF-Knee/2DOF-Ankle）这种构造就足够达到我们的目的：

平地行走，上下坡行走，行进换向。

图2a.机器人运动学，b.SHERPA的CAD模型

不过，由于采用的是标准机械设计，我们方案中的机器人的自由度分布如下：

髋关节2个，膝关节2个，踝关节2个。

关节的物理布局和其在实际机器人结构上工作方式原理展示在图2中，图2.a以机器人上物理布置方式展示了自由度分布，图2.b给出了第二个自由度是怎样从髋关节传递到踝关节的解释，图2.c展示了SHERPA机器人的原型的机械结构。

表I综合分析了人体关节运动的范围和最大摆动幅度。

由于关节的标准设计指出了每个关节相同模型的作用，我们认定主要的最大弯曲幅度为140º，第二个旋转幅度为60º。

达到了关节活动度的扩展，模块的机械设计和每个关节的标准化允许我们为膝关节设置一个-5º的后弯曲角度。

这个特征使得SHERPA机器人至少可以形成机械的面貌，和在以后工作中引入某个控制策略时，能够像人一样直立行走而不是像机器那样关节是松动的。

SHERPA的最大运动范围方面的问题将在第五章第二段讨论。

“拉力、冲撞力的计算和轴承丝杠尺寸”等更多的细节将由工程设计判断给出。

行走运动学和动力学在生物力学上是一个广泛的学科。

1951年，Bresler和Frankel[13]定义人体关节扭转力值为55kg。

80年代Winter公布了考虑到约束的额外值（N.m/Kg）[14]。

1995年Kuster[15]估计了下坡行走是的扭矩，2006年McIntosh[16]展示了他的关于上下楼梯行走研究结果。

表II给出了男性的扭矩测量值，展示了扭矩的最大值和文献有记录的关于上下坡行走的关节的活动幅度。

这些值是考虑了惯性矩和男性（上肢除外）大量的骨骼片段后计算得出的。

设计仿人机器人结构的一个重要方面是腿部片段机械参数的评估。

评估了由Clause[17]，deLeva[18][19]，Zatsirosky[20]，Stein[21]给出的关于片段长度的值后，我们决定选择由旋转轴间距定义的腿部片段长度，这同样考虑到了标准设计的机械限制。

对于小腿胫骨片段，从踝关节轴向上到膝关节轴的长度是475mm，膝关节轴到款关机轴间的长度为503mm。

在CAD模型中测量出的机器人大致高度，从地面（足部平面）向上至盆骨平面间的距离是1285mm。

III.钢索差动关节概念

大多数机器人，机械臂或者仿人机器人，都依赖齿轮传动。

与此相反，Barrett[22]提出使用钢索传动系统，由此带来诸多好处如：

机械传动的高功率质量比，传动柔和，远程和易于安装驱动装置。

归功于差动设计，对于我们的设计我们使用两个相同的特别设计的小型电机来驱动负载，而非以前那样用一个大尺寸高功率电机。

传统差动传动采用齿轮来传递能量，但这里提出的设计是基于高转矩电动机，使用钢索差动关节的无反弹钢索传输。

在我们的关节设计中我们可以定义两个旋转轴。

第一个旋转发生于两个电机同向旋转的时候，两条钢索将向同一方向拉动。

当两个电机向相反方向运转时，主滑轮将向相反方向旋转，这将产生绕第二个轴的旋转运动。

钢索差动原理及其运动系统在图3中展示。

完整安装的原型机CAD模型在图7中展示。

图3钢索差动原理和运动系统

IV.差动关节上并行驱动的好处

目前，仿人机器人都被设计成使用传统串行构造的驱动来获得关节多重自由度。

但是，各个轴的扭矩要求并不相同：

对于髋关节，矢平面（行走阶段）的运动要求比额状面（平衡阶段）更高的转矩值。

传统设计导致只能选择如下之一：

（1）两个相同的高转矩电机（这样，其一必工作中低负荷状态）；

（2）两个不同的电机（不利于标准化设计）。

图4关节空间和工作空间中不同的速度和转矩

我们的设计使用两个相同的电机，结合将它们的驱动转矩来产生绕关节的两个轴的工作扭矩。

为了更好的理解并行驱动技术，图4分析了关节空间和工作空间中不同的速度和转矩。

和平衡阶段一样，在行进阶段时，我们可以观察到使用并行驱动和2自由度差分关节后，工作空间的转矩（关于关节的两个轴）不是独立的。

平衡阶段的最大转矩受工作阶段转矩的限制。

事实上，关节转矩矢量γ和工作转矩矢量τ的关系如下：

（1）

其中：

因此，输出工作转矩值将是每个电机转矩的2倍。

这方面的问题对机器人整体重量、尺寸和机械结构的紧凑性有重大的影响，因此，优化机器人的整体机械结构设计将提高功率质量比。

V.机械传输

考虑到使用传统齿轮和变速箱设计的缺点，我们决定在我们的设计中执行一些元素来弥补因缺少齿轮而失去的功能。

了解到轴承非常适合机器人应用，在于其高效（效率≥90%）、无反弹、无启动转矩、反转和低噪音，我们决定使用类似的传动装置以转换电机的旋转运动为线性运动。

此传动装置主要由一个空心轴电机、一个球轴承组成，将空心轴电机的旋转运动转换为其他形式的运动，以适应我们的设计应用。

连接了钢索，拉力将会转移到钢索差动系统并使滑轮产生主动旋转。

A.传动比计算

公式

（2）解释了我们系统输入输出的关系以及计算了传动比：

表示驱动器角位移，

表示滑轮角位移，R表示滑轮半径（本项目为40mm），L为螺距（螺钉厂商定义的常量），本项目L=1cm。

任一次驱动轮的旋转都产生一个1cm的滚珠丝杠输出位移。

最后得出的传动比为1:

25。

（2）

（3）

有了ωj/ωa=1:

25的传动比，加上低惯性装置，结合使用滚珠丝杠>90%的效率的有利条件，由此造就了此显而易见的装置（可反转和低惯性）。

B.张力、行程计算和滚珠丝杠尺寸

钢索差动关节的并行驱动需要总行程的基本计算以确定滚珠丝杠工作行程的尺寸。

为保证机器人结构的模块化设计，我们计算和人体髋关节、膝关节和踝关节全部运动范围的最大角度相当的行程。

图5展示了同一个关节的两个自由度之间的总行程大体的计算方案，θ1=140º表示主轴旋转运行角，θ2=60º表示第二旋转轴运行角。

根据行程计算方案，以及考虑滑轮相同的半径R，总行程S为：

（4）

其中：

S为总行程S=S1+S2，定义为S1（主轴圆柱长度）和S2（第二轴圆柱长度）的和。

滚珠丝杠的总长度可以计算为总行程S、螺母长度和估计空隙长度之和。

C.钢索张力计算

为计算钢索张力，我们需用到运动学关系（5），丝杠位移d描述为丝杠螺距L和转动角位移θ的函数

（5）

考虑到η代表滚珠丝杠的效率（本方案为90%），以及已知来自于仿人数据的关节需要转矩值，钢索的张力计算如下（得到正常步行需要的转矩）：

（6）

图5力/行程原理图表

VI.设计研究以及原型

数个机械设计实现在研究中：

（1）采用直截面槽滑轮机制；

（2）采用U形槽滑轮机制；（3）采用球形和棒形关节的并行机制；（4）采用接触球关节的并行机制。

根据功能性、简单性、坚固性、重量特征和模块化程度，我们考虑最终设计为采用钢索和直截面槽滑轮的差动关节设计。

除去钢索差动关节的装配体，CAD模型的更详细展示可以从图6观察到。

图6钢索差动关节的CAD模型

图7模块化2自由度差动钢索设计

关节的最终构造允许我们根据关节的目标位置调整不同的设置。

关节的与髋关节、膝关节、踝关节角度相一致的运动范围内的构造，是通过可互换的与构造一致可装撇的机械停止件形成的。

为了消除钢索路径上的几何配合误差，钢索回绕滑轮模块，并且绕线滑轮组设计为轴可调节。

安装一个采用左右穿线的张力调节器来确保钢索预紧。

在没有编码器和采用虚拟驱动器的情况下，第一个2自由度钢索差动关节装配模块原型建立起来（图7-a）。

2自由度钢索差动关节总装配CAD模型（图7-b）展示了主旋转轴，同样展示了第二旋转轴，通过关节模块，CAD呈现的还有完整的嵌入在关节结构中的编码器。

VII.驱动

为了满足设计规范和设计要求，避免市场上的驱动器的诸多缺点，我们决定设计一种特制的轻质轴中空的电动机。

考虑到传统工程设计方法、（见Garrec[23],[24]）采用常规无刷电机和旋转-直线运动转换模块以及使用齿轮减速箱的复杂性，我们已经决定减少元件数量，减轻传输机构总重量和获得显而易见的可反向低惯性的传输机构。

如图8，我们的设计将驱动器和旋转-直线运动转换模块整合到一个元素中。

图8中空驱动器和滚珠丝杠的剖面视图

中空电枢和驱动器所有机械制造部件由铝合金制成。

活动的硅铁合金磁板覆盖转子的外径而永久磁铁位于硅铁合金板的外部直径以增加转子的磁特性。

采用这种技术的转子与常规转子相比质量更小。

定子和丝杠螺母直接连接，将旋转运动传输给丝杠。

为了避免丝杠不受控自转，一个防自转的装置被安装在定子上。

两个相同的驱动并行安装以建立X2模块和为2自由度关节提供动力。

从质量-转矩比和体积方面来看，轻质的驱动设计和包括使用轻质转子作为永磁体的新技术，成就了高性能的驱动器。

中空旋转驱动，与长螺距滚珠轴承丝杠联接，形成了高推力可反向直线驱动。

表III描述了我们的特别为此应用设计的中空驱动的物理参数，用来建立了仿人机器人SHERPA的驱动与商业用ETEL工业去驱动器相比，在这里展示做为一个出色的驱动器存在的例子。

尽管尺寸小，外径77mm、包括螺母和防自转装置的总体长度212mm，这个驱动器却可以产生1.65Nm的额定转矩。

VIII.嵌入在机械结构中的传感器系统

机器人的控制需要获取关于机器人姿态和足部产生的反作用力和力矩的信息。

因此一些用于机器人姿态控制的基本传感器已经安装于结构之中，嵌入在机械设计中。

两个紧凑低轮廓设计、高容量大量程、六维力传感器ATI-Mini85嵌入在足部。

总共有12个完整编码器的HENGSTLERAD36光纤传感技术安装在这个机器人结构中。

每个关节在设计中嵌入两个编码器，每个对应一个旋转轴。

每个编码器的设计布置给出了腿部片段之间角度的绝对位置以反馈用于控制转子。

每个驱动设计了有三个霍尔效应传感器用于弯曲控制反馈。

从这些传感器获得的信息用来计算驱动器的电气状态。

IX.总结和后续工作

为了识别机械零部件的机械故障和驱动器的升举能力，我们设置了一个测试台，给系统加载重达120kg的超过预期的负载。

所有的机械部件都表型正常，没有一个出现机械故障。

温度表显示工作期间驱动器的温度为40ºC。

这次成功的测试运行，还得出了驱动装置的升举能力和产生驱动钢索差动关节的必需转矩的特性。

双足机器人SHERPA的机械概念设计已经在本文中展示出，本文以运动学原理、机械解决方案和执行方法为重点。

在我们的设计中我们成功的开发了一个拥有如预期先进的步行和负载能力的双足机器人。

当我们递交本论文的时候，SHERPA的最终版本型号正在我们的实验室中组装。

致谢

此研究由法国国家研究机构ANR-06-BLAN-0244-01支持。

作者获得来自法国Montpellier，Institutd’ElectroniqueduSud的同行支持。

参考文献

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InsightsintotheDevelopmentofatrulyAnthropomorphicLeg”,Proc.ofIEEEICRA,Roma,Italy,2007.

NovelMechanicalDesignofBipedRobotSHERPA

Using2DOFCableDifferentialModularJoints

IonutMihaiConstantinOlaru,SébastienKrut,FrançoisPierrot

Abstract—ThispaperdiscussesthemechanicalkinematicssolutionsanddesignaspectsofthebipedrobotSHERPA,abipedalplatformabletowalkandcarryload.Startingfromtheanalysisofthehumanlowerlimbs,wefigureoutthat6DOFperlegarefundamentalforacorrectwalkingmotionandcanbeadoptedinamechanicaldesignofahumanoidrobot.Acloseinvestigationofthejointsleadsustoanovelmodularmechanicaldesign,withaparallelarchitecturemechanismcharacterizedbyandhighdegreeofinterchangeablecomponents.Therobotisusingtwelvehighperformancehollowshaftelectricalactuatorsactinginpairsinaparallelmanner,aremotecompactandtransparentactuationwithzero-backlashcabletransmissions,2DOFdifferentialjointsbetweeneachsegmentofthelimbandalight-weightcarbonfiberskeletonmodelingandmimictheanatomyofthehumanlegs.Themodular2DOFcabledifferentialjointhasbeenimplementedatthehip,kneeandanklelevel.Usingourapproach,actuationismoretransparent（back-drivable,withlowinertia）andwillallowSHERPAtointeractwiththeenvironmentmoresmoothlywhichleadstobetterwalkingability.

X.I.INTRODUCTION

Theabilityofleggedrobotstopassoverobstacles,towalkonuneventerrain,toclimbstairs,towalkincorridorsortomoveinsideofahumandesignedenvironmentisabetterdesignsolutionthanusingwheeledrobots.Asaresult,startingfromearly1970’swhenKato[1]introducedoneofthefirststaticbipedrobot,numerousprojectswherecreated[2],[3],[4],[5]andeffortsaroundthewholeworldhavebeenmadetocreateamachineabletowalkonaflatonuneventerrain