文 | 智東西 石照耀 丁宏鈺
機(jī)器人能跑能跳，能上下樓梯，端茶倒水的秘密武器是什么？ 答案是伺服驅(qū)動(dòng)器。
伺服驅(qū)動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的核心部件，在機(jī)器人系統(tǒng)中的功能等同于人體的關(guān)節(jié)組織，因此又被稱(chēng)為“關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器”。此外，它還要承擔(dān)一部分感知能力，感知外界的力之后再給外界一個(gè)力反饋，從而實(shí)現(xiàn)柔性控制，確保機(jī)器人在外界不斷變化的環(huán)境中安全、順暢地工作。
服務(wù)型機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)門(mén)檻高，由于安裝空間和應(yīng)用工況的限制，不僅需要體積小、重量輕，還得具備大扭矩、高精度的特點(diǎn)，往往占到機(jī)器人總成本50%以上。
隨著服務(wù)機(jī)器人市場(chǎng)需求的快速增長(zhǎng)，作為典型“高精尖”零部件的伺服驅(qū)動(dòng)器正在受到廣泛關(guān)注。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織齒輪技術(shù)委員會(huì)（ISO/TC60）委員、教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授石照耀博士和優(yōu)必選人形機(jī)器人創(chuàng)新中心專(zhuān)家丁宏鈺撰寫(xiě)了《雙足仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器——演進(jìn)、現(xiàn)狀與前景》一文。
這篇文章探討了伺服驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展歷程，分析了雙足仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)并提出了其核心技術(shù)指標(biāo)。雙足仿人機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠上的明珠”，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器（也稱(chēng)為機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)）是雙足仿人機(jī)器人關(guān)鍵部件，而機(jī)器人按動(dòng)力來(lái)源又可以分為液壓、氣動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、記憶金屬、生物類(lèi)（心肌細(xì)胞）等。
本文只討論電機(jī)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器由電機(jī)、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組成。雙足仿人機(jī)器人在很多應(yīng)用場(chǎng)合可以協(xié)助或代替人類(lèi)工作，如家庭助手、災(zāi)難救援、防爆和反恐等。研究人員期望其接近甚至達(dá)到人類(lèi)的運(yùn)動(dòng)性能，但無(wú)論是本田的ASIMO，還是波士頓動(dòng)力ATLAS，亦或是意大利技術(shù)研究院的Walk-Man都沒(méi)有全面達(dá)到人或動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)性能。
雙足仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和人類(lèi)類(lèi)似，如運(yùn)動(dòng)速度快、機(jī)動(dòng)性能好、步幅和步頻變化、能量新陳代謝變化、離散著地點(diǎn)、高速碰撞等，這些運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)都要求驅(qū)動(dòng)器具有高功率密度、高響應(yīng)性、高能量利用效率和耐沖擊性等特性。
本文對(duì)剛性驅(qū)動(dòng)器、彈性驅(qū)動(dòng)器、準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器3種主流技術(shù)路線的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)論述，綜合比較這3種驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，分析當(dāng)前遇到的問(wèn)題，以及下一步的發(fā)展趨勢(shì)。
01.30年研發(fā)進(jìn)程技術(shù)集中于四大領(lǐng)域
1971年，早稻田大學(xué)加藤一郎教授成功研制出世界上第1臺(tái)三維雙足機(jī)器人WAP-3，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)靜步行走，此舉揭開(kāi)了雙足仿人機(jī)器人研制的序幕。
雙足仿人機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)輪式和履帶式機(jī)器人有許多突出的特點(diǎn)，如雙足仿人機(jī)器人具有地面適應(yīng)性好、能耗小、工作空間大、雙足或多足行走等優(yōu)勢(shì)，這些特點(diǎn)也對(duì)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)器有很高的要求。
雙足仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的研究已有30多年歷史，其類(lèi)型和歷史如圖1所示，其研究進(jìn)程中有3個(gè)關(guān)鍵事件：1）1983年，早稻田大學(xué)研究的WL-10R機(jī)器人使用剛性驅(qū)動(dòng)器TSA（traditional stiffness actuator）。自此雙足仿人機(jī)器人開(kāi)始廣泛應(yīng)用剛性驅(qū)動(dòng)器為關(guān)節(jié)動(dòng)力源。2）1995年，麻省理工學(xué)院的Pratt等人提出了彈性驅(qū)動(dòng)器SEA（series elastic actuator）的概念，拉開(kāi)了彈性驅(qū)動(dòng)器研究的序幕。美國(guó)宇航局的機(jī)器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機(jī)器人Walk-Man都使用了彈性驅(qū)動(dòng)器。3）2016年，Wensing等提出了準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器PA（proprioceptiveactuator）的概念,并將其應(yīng)用于四足機(jī)器人Cheetah和雙足機(jī)器人Hermes，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器成為最近幾年研究的熱點(diǎn)。
▲圖1 驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型和歷史
過(guò)去30多年驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展，主要集中在以下幾方面：1）驅(qū)動(dòng)器和整機(jī)關(guān)系方面，經(jīng)歷了驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立設(shè)計(jì)和整機(jī)融合的發(fā)展。2）整體設(shè)計(jì)方面，經(jīng)歷了剛性驅(qū)動(dòng)器到彈性驅(qū)動(dòng)器和準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展。3）減速器方面，經(jīng)歷了大傳動(dòng)比減速器到小傳動(dòng)減速器的演變。4）控制方面，經(jīng)歷了從位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演變。
02.3種驅(qū)動(dòng)器技術(shù)迭代，仍無(wú)法類(lèi)比生物肌肉運(yùn)動(dòng)
驅(qū)動(dòng)器技術(shù)領(lǐng)域有三種主流技術(shù)路線，分別為剛性驅(qū)動(dòng)器、彈性驅(qū)動(dòng)器和準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器，本文對(duì)這三種技術(shù)路線發(fā)展進(jìn)行了論述和綜合比較，同時(shí)分析了下一階段驅(qū)動(dòng)器原理的新研究方向和現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
1 、剛性驅(qū)動(dòng)器：設(shè)計(jì)面臨瓶頸，功率密度無(wú)法匹敵生物肌肉
剛性驅(qū)動(dòng)器主要由電機(jī)、高傳動(dòng)比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成，其中，力矩傳感器是可選擇項(xiàng)。
▲圖2 剛性驅(qū)動(dòng)器
整體設(shè)計(jì)方面，Sebastian等為機(jī)器人LOLA設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器，如圖2所示，包括無(wú)刷電機(jī)、諧波減速器、絕對(duì)編碼器和增量編碼器等。
Iribe等為SDR 機(jī)器人開(kāi)發(fā)了驅(qū)動(dòng)器，此驅(qū)動(dòng)器包括內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和精密減速器，它的特點(diǎn)是具有高反驅(qū)動(dòng)能力。為了方便設(shè)計(jì)布局和拆裝，Park等還提出了驅(qū)動(dòng)器模塊化設(shè)計(jì)概念。
表1所示是目前主要?jiǎng)傂则?qū)動(dòng)器配置比較，除韓國(guó)Robotis的Dynamixel Pro Series的驅(qū)動(dòng)器采用擺線針輪減速器外，其他均采用諧波減速器，為了節(jié)省軸向尺寸空間剎車(chē)和力矩傳感器不是必選的，所有的設(shè)計(jì)都使用了絕對(duì)式編碼器，因?yàn)橥ǔC(jī)器人本體會(huì)裝有陀螺儀IMU(inertial measurement unit)，驅(qū)動(dòng)器很少另外再裝設(shè)IMU。
▲表1 剛性驅(qū)動(dòng)器配置比較優(yōu)化
設(shè)計(jì)方面，Huber等提出了一種基于執(zhí)行器的性能特征，來(lái)選擇最適合給定任務(wù)的執(zhí)行器類(lèi)型的方法。Van de Straete等提出驅(qū)動(dòng)器的新設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)分為可行性和優(yōu)化階段，為伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)提供了快速，自動(dòng)化的設(shè)計(jì)程序，同時(shí)可以圖表顯示結(jié)果。
Roos等就減速器傳動(dòng)比對(duì)驅(qū)動(dòng)器性能影響、伺服電機(jī)和減速器集成優(yōu)化、機(jī)械和控制整合設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。Vaculik等研究了驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)流程，建立電機(jī)和減速器參數(shù)模型。
為了平衡電機(jī)和減速器參數(shù)，Zhou等還開(kāi)發(fā)了由MSC.ADAMS動(dòng)力學(xué)模型和Matlab代碼優(yōu)化算法組成的協(xié)同仿真平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)電機(jī)和減速器不同組合實(shí)現(xiàn)五軸機(jī)械臂的重量輕量化。Budinger等建立了基于模型的機(jī)電執(zhí)行器初步設(shè)計(jì)的估算模型。Rezazadeh等研究了一般負(fù)載下，機(jī)器人系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置的機(jī)電選擇優(yōu)化解決方案。
Saerens等針對(duì)機(jī)器人最大連續(xù)輸出扭矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)減速器級(jí)數(shù)、傳動(dòng)比和不同類(lèi)型的尺寸參數(shù)，制定了比例定律。由上述分析可知，剛性驅(qū)動(dòng)器的整體設(shè)計(jì)方面已經(jīng)較難有創(chuàng)新，更多研究集中在電機(jī)和減速器整體優(yōu)化設(shè)計(jì)上。
然而由于元器件工藝和原理上的限制，傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器的功率密度很難達(dá)到生物肌肉的水平500W/kg，同時(shí)也解決不了機(jī)器人受外部沖擊時(shí)零部件強(qiáng)度問(wèn)題，繼而彈性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)運(yùn)而生。
2、彈性驅(qū)動(dòng)器：借助肌肉力學(xué)模型，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)可模擬肌肉使用剛性驅(qū)動(dòng)器
TSA的機(jī)器人在行走、奔跑、跳躍等運(yùn)動(dòng)能力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到人類(lèi)和動(dòng)物的水平，而人類(lèi)和動(dòng)物實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)能力是依靠肌肉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
動(dòng)物可以利用剛?cè)岵?jì)的肌肉骨骼系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中儲(chǔ)存和釋放能量，調(diào)節(jié)能量在時(shí)間和功率密度上的不匹配，提高關(guān)節(jié)瞬時(shí)爆發(fā)力，高效循環(huán)利用能量，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)落地緩沖。為此科研人員研發(fā)了多種自適應(yīng)的彈性驅(qū)動(dòng)器來(lái)模擬肌肉系統(tǒng)功能，使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性。彈性驅(qū)動(dòng)器的原理主要借鑒了Hill肌肉三元素力學(xué)模型。
如圖3所示，圖中CE （contractile element）是肌肉收縮單元，SE（serieselement）是串聯(lián)彈性單元，PE（parallelelement）是并聯(lián)彈性單元，組合后主要有PS（parallel-series）肌肉模型和SP（series-parallel）肌肉模型2種形式。
▲圖3 Hill肌肉力學(xué)模型
根據(jù)PS和SP肌肉模型結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)相似性可得到如圖4e中所示的并串式彈性驅(qū)動(dòng)器 PSEA（parallel series elastic actuator）和串并式彈性驅(qū)動(dòng)器SPEA（series parallel elastic actuator）2種仿生彈性驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)。
符號(hào)A表示一般驅(qū)動(dòng)元件，即剛性驅(qū)動(dòng)器，圖4 a-f[31]中表示由驅(qū)動(dòng)元件A與SE、PE單元共同作用構(gòu)成的彈性驅(qū)動(dòng)器模型，ks和kp分別為SE和PE單元的剛度。PSEA和SPEA同時(shí)具有SE和PE單元，因此稱(chēng)為多模態(tài)彈性驅(qū)動(dòng)器MEA（multi-mode elastic actuator）。
▲圖4 彈性驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型
剛性驅(qū)動(dòng)器（TSA）、串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器（SEA）、并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器PEA （parallel elastic actuator）和離合彈性驅(qū)動(dòng)器CEA（clutched elastic actuator）均為基本模型，它們是MEA的特例形式。
近年來(lái)研究成果及應(yīng)用主要集中在串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器、并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器、離合式彈性驅(qū)動(dòng)器和多模態(tài)彈性驅(qū)動(dòng)器。2.1 串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器：增加彈性單元，降低外部碰撞沖擊串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器是在驅(qū)動(dòng)元件和負(fù)載間增加彈性單元，這樣可以緩沖外部沖擊和儲(chǔ)能。
麻省理工學(xué)院的Pratt等人最早提出了彈性驅(qū)動(dòng)器SEA的概念，并證明了SEA具有抗沖擊性，較低的反射慣性，更精確和穩(wěn)定的力控制性能，減少對(duì)環(huán)境的破壞和能量存儲(chǔ)，繼而開(kāi)展了SEA的閉環(huán)力控和在腿足機(jī)器人上應(yīng)用研究。
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，SEA近些年的研究主要集中在變剛度設(shè)計(jì)、控制和應(yīng)用上。Vanderborght等研究了機(jī)械可調(diào)節(jié)的柔度和可控制的平衡位置驅(qū)動(dòng)器，其柔度和平衡位置可以完全獨(dú)立地控制，并且兩者均由專(zhuān)用伺服電機(jī)設(shè)定。Sariyildiz等研究了新型SEA的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題（即位置和力控制問(wèn)題），提出了一種基于加速度的魯棒控制器。
通過(guò)串聯(lián)軟彈簧和硬彈簧實(shí)現(xiàn)可變剛度的SEA，來(lái)減少常規(guī)SEA的基本性能限制。Haddadin等通過(guò)優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)最大化變剛度彈性驅(qū)動(dòng)器的輸出速度，由于彈性驅(qū)動(dòng)器儲(chǔ)能作用，其最大輸出速度已超過(guò)理論電機(jī)輸出能力。
為解決救災(zāi)機(jī)器人跌落和與環(huán)境的碰撞問(wèn)題，意大利技術(shù)研究院設(shè)計(jì)了新型的彈性驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于WALK-MAN機(jī)器人手臂，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)載能力和抗沖擊能力。如圖5所示，在諧波減速器輸出端和驅(qū)動(dòng)器輸出間設(shè)置了彈性零件扭力桿。
▲圖5 彈性驅(qū)動(dòng)器由
上述分析可知，SEA具有緩沖機(jī)器人觸地沖擊和緩解外部碰撞沖擊的作用，同時(shí)還可以?xún)?chǔ)存能量，但由于彈性元件引入，系統(tǒng)變?yōu)榍夫?qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此其運(yùn)動(dòng)控制精度較低。2.2 并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器：并聯(lián)彈性元件，降低能量損耗并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器是在驅(qū)動(dòng)元件基礎(chǔ)上增加并聯(lián)的彈性元件，使得這些元件共同作用于被驅(qū)動(dòng)對(duì)象，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)元件來(lái)調(diào)節(jié)并聯(lián)彈性元件的能量?jī)?chǔ)存和釋放。Mettin等將PEA原理應(yīng)用于2階倒立擺模型中，將被動(dòng)彈簧與欠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器并聯(lián)，可以顯著降低能量損耗。
Niehues等通過(guò)數(shù)學(xué)建模證明，在機(jī)器人關(guān)節(jié)存在時(shí)間延遲的情況下，PEA可以提高穩(wěn)定性和魯棒性，研究人員同時(shí)設(shè)計(jì)了2個(gè)具有PEA的2自由度肌腱驅(qū)動(dòng)手指，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)現(xiàn)平滑軌跡跟蹤，特別是在穩(wěn)定性和對(duì)沖擊的魯棒性方面，機(jī)器人手中引入PEA具有優(yōu)勢(shì)。Brown等在機(jī)械臂中加入平行彈簧元件，加了設(shè)計(jì)合理的彈簧可以將電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩降低約50%，并將能耗降低25%。
Borras等在Stewart并聯(lián)機(jī)器人的關(guān)節(jié)處增加并聯(lián)彈簧，提出了簡(jiǎn)單的優(yōu)化策略，結(jié)果表明當(dāng)并聯(lián)機(jī)器人受特定力，例如重物壓在平臺(tái)上時(shí)，PEA能夠大幅減小驅(qū)動(dòng)元件的輸出力矩，通過(guò)該方法在剛性不降低的情況下實(shí)現(xiàn)了小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)大載荷。
Mazumdar等研究雙足機(jī)器人腿部應(yīng)用PEA，如何減少能量損耗，提高能量利用效率，如圖6所示。a是PEA的原理圖，b展示PEA在機(jī)器人髖關(guān)節(jié)上的應(yīng)用。Toxiri等將PEA應(yīng)用于上肢外骨骼機(jī)器人，相對(duì)于不增加平行彈性元件的設(shè)計(jì)明顯減少對(duì)電機(jī)力矩的需求，同時(shí)改善了控制性能。
▲圖6 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器由
上述分析可知，并聯(lián)彈性元件可以實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和釋放的作用，相較于傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)器，并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器可以顯著提高輸出功率，降低能量損耗。不過(guò)，并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器在配合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、如何最大化的實(shí)現(xiàn)能力儲(chǔ)存和釋放方面還存在問(wèn)題。
2.3 離合彈性驅(qū)動(dòng)器：增加離合裝置，成驅(qū)動(dòng)器研究熱點(diǎn)離合彈性驅(qū)動(dòng)器是在串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器或并聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器的彈性元件位置增加離合裝置，控制彈性元件開(kāi)合，以控制彈性元件的能量?jī)?chǔ)存和釋放。Haeufle等介紹了CEA初始原型機(jī)的設(shè)計(jì)和控制，原型機(jī)包括直流電機(jī)、彈簧和低成本的電子離合器，研究人員在模仿人體反彈任務(wù)中膝部伸肌的扭矩和運(yùn)動(dòng)模式的實(shí)驗(yàn)中表明，原型機(jī)中的并聯(lián)彈簧將執(zhí)行器的能耗降低了約80％，將直流電機(jī)的峰值扭矩需求降低了約66％。
Plooij等介紹了雙向離合并聯(lián)彈性執(zhí)行器（BIC-PEA）的概念和設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了通過(guò)控制離合在時(shí)間和方向上加載和卸載，并行彈簧可以減少機(jī)器人的能耗，具體設(shè)計(jì)如圖7所示。另外，Plooij等根據(jù)形態(tài)不同，把CEA分為9類(lèi)，并提出了CEA功能分析的數(shù)學(xué)方法。
▲圖7 離合驅(qū)動(dòng)器
Penzlin等把CEA設(shè)計(jì)用于外骨骼機(jī)器人，通過(guò)非線性模型建立、樣機(jī)制作和試驗(yàn)，證明CEA可以提高外骨骼設(shè)計(jì)的效率。
DeBoon等研究CEA在康復(fù)外骨骼機(jī)器人上的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)器包括直流電機(jī)、扭簧和磁粉制動(dòng)器，提出自由運(yùn)動(dòng)、彈性運(yùn)動(dòng)和輔助阻抗運(yùn)動(dòng)3種制動(dòng)模式。由上述分析可知，由于離合裝置的引入，CEA可以控制彈性元件能量的儲(chǔ)存和釋放，大幅提高了能量效率，在具體的應(yīng)用領(lǐng)域可以靈活的設(shè)置彈性元件和離合機(jī)構(gòu)的形式，此領(lǐng)域是目前研究的熱點(diǎn)。
2.4 多模態(tài)彈性驅(qū)動(dòng)器：集合單一驅(qū)動(dòng)器優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)建模復(fù)雜針對(duì)單一驅(qū)動(dòng)器不能滿(mǎn)足機(jī)器人瞬時(shí)高輸出扭矩、能量效率和抗沖擊能力的問(wèn)題，研究人員又提出了多模態(tài)彈性驅(qū)動(dòng)器的概念。Mathijssen等人開(kāi)始研究串并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器SPEA，他們利用平行彈性元件實(shí)現(xiàn)可變的載荷儲(chǔ)存和釋放，使用多個(gè)帶有鎖緊環(huán)和鎖板的不完全齒輪作為與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)的間歇機(jī)構(gòu)。結(jié)果表明該裝置可以降低電動(dòng)機(jī)扭矩要求，減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，提高效率。
Geeroms等人設(shè)計(jì)了一種多模態(tài)驅(qū)動(dòng)器，可以應(yīng)用于假肢，同時(shí)具有并聯(lián)和串聯(lián)彈簧，并聯(lián)彈簧可以鎖定、相對(duì)順應(yīng)性和直接驅(qū)動(dòng)的人工膝關(guān)節(jié)，新構(gòu)型驅(qū)動(dòng)器的膝關(guān)節(jié)能量消耗小，水平走路運(yùn)動(dòng)軌跡和健康膝關(guān)節(jié)更接近。
Roozing等基于三自由度腿部機(jī)器人，研究了只有SEA和SEA加并聯(lián)儲(chǔ)能分支的區(qū)別，原理和原型機(jī)如圖8所示，實(shí)驗(yàn)證明，加并聯(lián)儲(chǔ)能分支可以節(jié)能53%以上。
▲圖8 多模態(tài)驅(qū)動(dòng)器
由上述分析可知，多模態(tài)彈性驅(qū)動(dòng)器集合了單一驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很好的儲(chǔ)能和節(jié)能。但該驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得其系統(tǒng)建模和控制也變得復(fù)雜。
3、準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器：電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)環(huán)，可本體感知腳部壓力準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的含義是依靠驅(qū)動(dòng)器電機(jī)開(kāi)環(huán)力控，不依賴(lài)于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機(jī)器人腳部和外界的交互力，也被稱(chēng)為本體驅(qū)動(dòng)器。
當(dāng)然，最理想的是電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，但受限于電機(jī)工藝和技術(shù)，電機(jī)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的扭矩密度不能滿(mǎn)足機(jī)器人應(yīng)用的需求，因此，折中采用電機(jī)加低傳動(dòng)比減速器的方案，同時(shí)要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡可能的小，這樣可以實(shí)現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器主要由高扭矩密度電機(jī)、低傳動(dòng)比減速器、編碼器和控制板等組成。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，Wensing等設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器使用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，減速器是傳動(dòng)比是5.8的精密行星減速器，如圖9所示。
▲圖9 準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器
Benjamin等設(shè)計(jì)了改進(jìn)版的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器，并搭建了四足機(jī)器人Cheetah和雙足機(jī)器人Hermes，進(jìn)行了測(cè)試。如圖10所示，電機(jī)是外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)，由于直徑增加，電機(jī)力矩和半徑是平方關(guān)系，扭矩密度遠(yuǎn)高于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，傳動(dòng)比為6的行星減速器內(nèi)嵌到電機(jī)內(nèi)部，軸向尺寸緊湊。整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的扭矩密度35.4Nm/kg，功率密度達(dá)到1416W/kg，超過(guò)了肌肉的功率密度500W/kg。
▲圖10 改進(jìn)版準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器
宇樹(shù)科技提出了一種新的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)，在電機(jī)基座和內(nèi)齒圈間增加了離合結(jié)構(gòu)，當(dāng)外界負(fù)載沖擊力即將超過(guò)減速器零件極限時(shí)，離合結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，外界沖擊能量轉(zhuǎn)換成摩擦熱量損耗掉，保護(hù)減速器不損傷,結(jié)構(gòu)如圖11所示。
▲圖11 帶離合功能的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器
另外，在驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)端和輸出端都設(shè)置了位置編碼器，電機(jī)軸采用中空結(jié)構(gòu)。銀弗科技提出了一種緊湊型準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器，把四點(diǎn)角接觸軸承的滾道直接設(shè)置在行星減速器的機(jī)架上，減少驅(qū)動(dòng)器的軸向尺寸，減輕重量，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12。
▲圖12 緊湊的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器
優(yōu)必選科技提出一種軸向尺寸緊湊型準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器，如圖13所示，驅(qū)動(dòng)器的控制板布置在電機(jī)下方，第一級(jí)行星減速器嵌入電機(jī)定子內(nèi)部，第二級(jí)行星減速器設(shè)置在電機(jī)外部，極大減少驅(qū)動(dòng)器的軸向尺寸。
▲圖13 緊湊的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器
4、從6大領(lǐng)域出發(fā)比較3種驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型綜合以上對(duì)剛性驅(qū)動(dòng)器、彈性驅(qū)動(dòng)器和準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的論述，對(duì)3種驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)布局、力矩測(cè)量方式、控制特點(diǎn)、功率特點(diǎn)、能量特點(diǎn)、安全性和應(yīng)用場(chǎng)景等進(jìn)行比較。
▲表2 伺服驅(qū)動(dòng)器特性比較
如表2所示，結(jié)構(gòu)布局方面，TSA是常規(guī)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)高傳動(dòng)比減速器，可以直接帶動(dòng)輸出端，有些設(shè)計(jì)是在電機(jī)端增加剎車(chē)，在減速器和輸出端增加高剛性力矩傳感器。
彈性驅(qū)動(dòng)器，SEA是常規(guī)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)高傳動(dòng)比減速器，在減速器和輸出端間增加彈性體，PEA是在TSA的基礎(chǔ)上增加平行的彈性機(jī)構(gòu)，CEA是SEA或PEA的基礎(chǔ)上增加彈性體開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)，MEA是PEA、SEA和CEA的組合。
準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器是高扭矩密度電機(jī)驅(qū)動(dòng)低傳動(dòng)比減速器，輸出端具有小慣量特性。力矩測(cè)量方面，剛性驅(qū)動(dòng)器是基于電流或應(yīng)變片式力矩傳感器，彈性驅(qū)動(dòng)器是使用編碼器原理或應(yīng)變片式力矩傳感器，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器是應(yīng)用電流環(huán)檢測(cè)。
控制方面，剛性驅(qū)動(dòng)器控制相對(duì)簡(jiǎn)單，精度高，彈性驅(qū)動(dòng)器中SEA控制復(fù)雜，精度低，PEA控制相對(duì)簡(jiǎn)單，精度高，CEA控制簡(jiǎn)單，但精度一般，CMA控制復(fù)雜，精度一般；準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器控制簡(jiǎn)單，精度高。功率方面，剛性驅(qū)動(dòng)器無(wú)功率調(diào)，SEA、PEA、CEA的功率調(diào)制性好，MEA功率調(diào)制非常好；準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的功率調(diào)制較差。
能量特性方面，剛性驅(qū)動(dòng)器的效率較低；SEA和PEA的效率一般，CMA、MEA和PA的效率高。安全性方面，剛性驅(qū)動(dòng)器的安全性比較差；SEA和MEA用于有彈性體的保護(hù)安全性好，PEA安全性一般，CEA較差；準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器由于具有反驅(qū)特性，安全性好。
03.雙足仿人機(jī)器人性能仍需提升3種驅(qū)動(dòng)器技術(shù)各有利弊
雙足仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，經(jīng)歷了從剛性驅(qū)動(dòng)器到彈性驅(qū)動(dòng)器和準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的過(guò)程。但目前雙足仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到人類(lèi)和動(dòng)物的水平，驅(qū)動(dòng)器技術(shù)還有一些難點(diǎn)需要克服，下一步的發(fā)展方向需要繼續(xù)深入討論。
1、剛性驅(qū)動(dòng)器工業(yè)應(yīng)用廣泛，彈性驅(qū)動(dòng)器控制性能欠佳剛性驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用在雙足仿人機(jī)器人最早，設(shè)計(jì)理論也相對(duì)成熟，在傳統(tǒng)的雙足機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)精密轉(zhuǎn)臺(tái)等方面得到廣泛應(yīng)用。但由于電機(jī)和減速器功率密度限制，在合適工作區(qū)間內(nèi)的最大輸出功率密度只能到200～300W/kg，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到動(dòng)物肌肉的500W/kg，這就限制其在雙足仿人機(jī)器人上的應(yīng)用。
另外，剛性驅(qū)動(dòng)器還沒(méi)有建立標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法和性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。彈性驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，取得了許多成果，SEA技術(shù)也在一些產(chǎn)品得到應(yīng)用，如蘇黎世理工的四足機(jī)器人ANYmal、美國(guó)宇航局的Valkyrie和意大利技術(shù)研究院COMAN等。
但由于彈性體引入,系統(tǒng)為欠驅(qū)動(dòng)，給控制帶來(lái)了難度，尤其在機(jī)器人腿部使用，機(jī)器人整機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制比較難實(shí)現(xiàn)。PEA、CEA和MEA技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的相對(duì)較少，PEA很難控制并聯(lián)彈性體的能量吸收和釋放的時(shí)機(jī)，CEA很好解決串聯(lián)彈性體何時(shí)開(kāi)關(guān)的問(wèn)題，但增加了輔助控制裝置或機(jī)構(gòu)，MEA結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。
準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器是最近幾年的新興技術(shù)，發(fā)展迅速，并在多款產(chǎn)品中得到應(yīng)用，如麻省理工的Cheetah、宇樹(shù)科技的Laikago和云深處科技的絕影等。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的初衷是提高驅(qū)動(dòng)器的扭矩密度，瞬間響應(yīng)性和抗沖擊能力，同時(shí)降低成本，因?yàn)橹挥须姍C(jī)端有位置編碼器，這就面臨機(jī)器人斷電了后，驅(qū)動(dòng)器如何回到機(jī)械零位的問(wèn)題。
2、人形機(jī)器人應(yīng)用受限，通信革新或成未來(lái)趨勢(shì)研究表明，人類(lèi)步行、疾跑和跳躍等動(dòng)作腳底與地面沖擊力是自重的3倍以上，雙足仿人機(jī)器人若要達(dá)到近似人類(lèi)或動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)能力，取決于驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)相對(duì)于自重或負(fù)載的驅(qū)動(dòng)能力，以及在傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的感知和控制下快速響應(yīng)能力。
另外，還要綜合考慮驅(qū)動(dòng)器的能量效率和緩沖沖擊能力等。新設(shè)計(jì)原理方面，仿生學(xué)研究，以鴕鳥(niǎo)、鵪鶉和家禽等動(dòng)物的腿部骨和骼肌肉為仿生對(duì)象，研究新的腿部構(gòu)型，根據(jù)構(gòu)型需求進(jìn)而設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器的形式，驅(qū)動(dòng)器結(jié)合機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制整體考慮。
現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器方案研究方面，剛性驅(qū)動(dòng)器方向雖然在人形機(jī)器人應(yīng)用上受到限制，但在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，亟需建立性能指標(biāo)的檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如回差、增速啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、剛性、絕對(duì)精度、重復(fù)定位精度、效率、速度力矩曲線、扭矩力矩曲線、電流力矩曲線等。彈性驅(qū)動(dòng)器方向，采用的是在PEA基礎(chǔ)上增加離合裝置控制平行彈性體的開(kāi)關(guān)，這樣可以控制能量的儲(chǔ)存和釋放，提高能量利用率，其關(guān)鍵是離合裝置如何做的簡(jiǎn)單和節(jié)能。
此外，彈性驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)不能只停留在本身的整合設(shè)計(jì)，要結(jié)合機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和被動(dòng)動(dòng)力學(xué)對(duì)機(jī)器人做系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人整體性能達(dá)到最優(yōu)。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器方向，需要進(jìn)一步研究單編碼器驅(qū)動(dòng)器回零點(diǎn)問(wèn)題，研究絕對(duì)編碼器如何取消后備電池，或延長(zhǎng)電池的使用壽命，同時(shí)考慮改善設(shè)計(jì)和工藝，提高電機(jī)的功率密度，這兩點(diǎn)問(wèn)題解決了，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器就不限于只用于四足機(jī)器人，也可以應(yīng)用于雙足仿人機(jī)器人和其他領(lǐng)域。
驅(qū)動(dòng)器通信方面，通信方式隨著5G、互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)器可以無(wú)線與機(jī)器人上位機(jī)或云端總控相互通信，解決機(jī)器人內(nèi)部走線復(fù)雜，線材易磨損問(wèn)題，同時(shí)可以檢測(cè)和監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器的實(shí)時(shí)狀態(tài)，計(jì)算與通信的集成化技術(shù)為驅(qū)動(dòng)器智能化提供了各種可能。
04.結(jié)語(yǔ)：驅(qū)動(dòng)器性能無(wú)法類(lèi)比肌肉準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器或成主攻方向
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人必有廣闊的應(yīng)用前景，雙足仿人機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人重要的組成部分，由于其類(lèi)人的外形，更容易被人類(lèi)接受。
本文對(duì)雙足仿人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的歷史、關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行闡述，介紹了剛性驅(qū)動(dòng)器、彈性驅(qū)動(dòng)器、準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展現(xiàn)狀，比較了各自特點(diǎn)，說(shuō)明目前驅(qū)動(dòng)器的性能還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到生物肌肉的水平，因此雙足仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力也沒(méi)有達(dá)到人類(lèi)或動(dòng)物的程度。
此外，文章中還指出了驅(qū)動(dòng)器下一步的發(fā)展方向，以雙足動(dòng)物為參考的仿生腿部機(jī)構(gòu)研究，將進(jìn)一步推動(dòng)和機(jī)器人整機(jī)高度結(jié)合新驅(qū)動(dòng)器構(gòu)型的出現(xiàn)。
現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器方案方面，如果電機(jī)和減速器性能沒(méi)有大幅提升的情況下，在雙足仿人機(jī)器人領(lǐng)域剛性驅(qū)動(dòng)器將會(huì)逐步被取代；彈性驅(qū)動(dòng)器需要在功率密度、能量效率、結(jié)構(gòu)布局等指標(biāo)間平衡，結(jié)合機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)布局、運(yùn)動(dòng)步態(tài)控制算法做整合優(yōu)化是下一步研究方向；準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)發(fā)展迅速，編碼器技術(shù)創(chuàng)新和電機(jī)功率密度上突破，是將來(lái)主攻方向。
另外，驅(qū)動(dòng)器通信技術(shù)革新也是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)在，優(yōu)必選科技、宇樹(shù)科技、銀弗科技等也開(kāi)始攻克伺服驅(qū)動(dòng)器的難題。關(guān)鍵核心技術(shù)等不來(lái)、靠不來(lái)、買(mǎi)不來(lái)，需要腳踏實(shí)地研發(fā)、持之以恒投入，來(lái)不得半點(diǎn)僥幸。