一種帶有串聯與並聯驅動（SEA&PEA）關於能量輸出效率與密度提升的3自由度人型機器人單腿設計方案介紹

上一篇文章介紹到了人型機器人機械腿的常見結構與設計：

任賾宇：關於雙足人型機器人——六自由度機械腿常見結構設計與比較zhuanlan.zhihu.com

這一篇文章將介紹一種新的機械腿結構設計嘗試，用來著重解決目前機械腿（電機驅動方案）運動時能量效率低下與力矩密度輸出不足的問題。

這是我和研究所同事Wesley Roozing（兩名PhD）合作的成果，當時剛開做的時候老闆不是很看好，但是今年ICRA的結果和評審的意見卻給了我們充分的信心，接下來的內容就做一個精簡版的設計與成果展示。

需要解決什麼問題？

1. 能量效率低下：

簡單來說，以機械腿下蹲-站立（Squat-stand）的膝關節驅動器為例，當在前半個下蹲過程時，需要很大的電流來驅動Actuator來維持運動穩定；而在後半個站立過程，又需要更大的電流來驅動Actuator克服重力重新站直。

在整個過程中，重力勢能白白浪費不談，較大的驅動器負載還會造成能量損失在發熱與摩擦上，導致整體運動能量效率低下。

2. 力矩輸出密度不足：

先不談動態的運動性能，舉個最典型的例子:

就說大部分雙足人型機器人（無論是大尺寸還是小尺寸）都做不到深蹲（Deep Squat）運動，主要原因還是膝關節驅動器力矩輸出密度不足。

實例：

DLR TORO: 整機質量76.4kg，膝關節最大力矩130Nm*2, 密度：3.4Nm/kg

IIT Walkman: 整機質量110kg, 膝關節最大力矩300Nm*2, 密度：5.4Nm/kg

我對這兩台機器人算是知根知底了解性能，這個力矩輸出密度是遠遠不足的。

如何解決問題？

核心思想：運動關節並聯（PEA）主動控制儲能（ESB）機構。

之前的文章提到過SEA具有一定的儲能功能，但5000-10000Nm/Rad數量級剛度彈性體的儲能性能是遠遠不夠的。我們解決問題的思路如下：在能量輸出密度要求最高的Knee Joint和Ankle Joint的Pitch方向，使用SEA作為主驅動器（Powerful Branch-PB），同時並聯主動控制的儲能機構(Energy Storage Branch-ESB)作為PEA。

單個關節單元的驅動原理如下:

現階段，為了在實際的機器人單腿做運動性能驗證，同時保持一定的可實現性，我們設計了如下圖所示的3自由度運動單腿，三個自由度均在Hip、Knee和Ankle關節的Pitch方向。簡而言之，整個單腿可以在Pitch的平面做xy運動。

關於PEA和SEA的融合，我們具有如下圖的兩種設計方案: Mono-Articulated & Bi-Articulated。

Mono-Articulated是較為自然的SEA與PEA在膝關節和踝關節的融合方式，而Bi-Articulated是一種借鑒人腿肌肉的仿生設計。

下圖為 No ESB & Mono-Articulated & Bi-Articulated 這三種配置的設計裝配圖：

更多的工作原理可參見如下視頻：

解決了什麼問題？

如上視頻所示：我們給予單腿20kg的負載，控制負載的質心軌跡，使得整個單腿做Pitch平面的深蹲運動，如下圖：

通過比較這三種配置的能量消耗情況，我們可喜地發現：

通過PEA彈性儲能裝置的運用，我們能夠實現在20kg負載下的深蹲運動，一定程度上提高了能量輸出密度。並且Mono-articulated相比No ESBs節省了53%的能量，Bi-articulated相比No ESBs節省了60%的能量，較大地提升了能量效率，詳細見下圖：

還需要解決什麼問題？

1. 由於機械結構設計不當，PEA中的ESB無法承受很大的線性力。目前我們使用滾珠絲杠傳遞線性力主動控制ESB儲能元件的Pre-tension，絲杠能主動承受的線性力在800N左右。我們預期設計的線性力應該達到1600N左右，如果能達到這樣的數量值，這條單腿將有帶負載進行跳躍的能力。（事實上從生物學的角度來看，人體大腿上的肌腱在跑步跳躍的過程中能夠承受7000N的線性力——The more we developed robotics, the more we know how amazing our human beings.)
2. 3自由度單腿在向6自由度單腿拓展的過程中，在機械設計上將存在很大難度。
3. 我們深刻地認識到解決問題的核心是在革命性地提升電機性能（新材料電機），現在所做的工作都是在「隔靴搔癢」。但是沒有辦法，科研與工程的發展都是螺旋性的，在革命性的發展之前，只能嘗試走走「彎路」。

Reference:

1. Roozing, W., Ren, Z., and Tsagarakis, N. G. (2018). ``Design of a Novel 3-DoF Leg with Series and Parallel Compliant Actuation for Energy Efficient Articulated Robots, in 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) (IEEE).
2. W. Roozing, Z. Li, G. A. Medrano-Cerda, et al., 「Development and control of a compliant asymmetric antagonistic actuator for energy efficient mobility,」 IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 21, no. 2, pp. 1080–1091, 2015.

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