【四足机器人】SOLO技术详解--（1）介绍（2）平台和机器人概述【翻译】

摘要

我们提出了一个新的开源机器人的腿部力矩控制系统，这个系统的特点是低成本及结构简单。这个系统由高力矩无刷直流舵机和适合阻抗调节和力矩控制的低传动结构组成。同时我们也设计了一个适应冲撞的新型足底传感器。四足机器人重2.2kg，有8个自由度，四条腿上都搭配了足底传感器。其他零件由3D打印和现成的零件构成，可以做出重量轻且低成本的机器人，这也使得其他研究团队可以快速开发和复制此项目。本文系统地描述了在静态和动态条件下实现足部阻抗的方案，并将无主动阻抗控制调节的最大无量纲腿刚度（dimensionless stiffness）为10.8的腿与人类奔跑状态下的腿部刚度（leg stiffness）进行对比测量。最后，我们演示了四足机器人的性能，提出了一种新的控制器，它将由 kino-dynamic 优化器计算的前馈接触力与质心和基座方向的阻抗控制相结合。此控制模型可以在复杂多变的运动环境下保持稳定。

关键词： 足式机器人，柔顺性和阻抗控制，驱动和关节机构，力控制

Ⅰ. 介绍

在没有大量硬件开发工作或维护成本的情况下，通常很难测试腿部机器人的控制性能和学习算法。现在的硬件机械结构复杂且昂贵，不同的机器人系统很难与其他的机器人进行对比，大部分系统也不能商业化。为了支持在学术研究上的快速和整体的进步，我们认为硬件、固件和中间软件一定要变得便宜且相对容易复制和实现。现在也有许多开源设计蓝图的低成本足式机器人平台如 Oncilla [29]、Stanford-doggo [17]，因此我们的研究人员借鉴我们的算法在其他不同形态的机器人平台上测试和开发他们的构思。此外，从开源蓝图中产生的机器人的性能和能力可以直接在各个实验室进行比较。

据我们所知，Stanford-doggo 是除我们之外唯一公开其力矩控制的足式机器人平台。它的大部分零件是用水射流切割，相对容易生产。其他的开源（业余）项目大部分使用位置控制伺服电机，限制了它们应用高级的控制方法和学习算法。四组机器人在展现出高性能的力矩控制的同时也代表了其实现的巨大的难度，如 HyQ [27], Anymal [12] 或者 MIT Cheetah [33].众多的足式机器人像 Oncilla 和 Cheetah cub [30]使其同时包含机械柔顺性（ mechanical compliance）让腿部马达在收到外部干扰的情况下直接、迅速的反应。然而这需要复杂的机制使其有效地改变关节的刚度[11]（stiffness ）。

图1: 四足机器人SOLO跳跃：记录时的最大跳跃高度是从24厘米的站立高度到65厘米。（由W.Scheible拍摄）

对于一个开源的腿型机器人来说，成功的标准是尽量减少需要精密加工的零件数量，从而能使用现成的组件而不是使用过于复杂的自定义设计方案。为了实现这一个目标 ，我们使用了当前最先进的低成本塑料3D打印和高性能无刷直流电机（BLDC），这些都是现在广泛可用的现成组件。此外在移动设备市场化的浪潮下，我们可以用到价格合理的微型传感器、低功耗和高性能的微型控制器以及先进的电池技术。

测试先进的动态算法locoarmotion[3]，[21]，[22]时，拥有轻量级、低成本但强大的机器人显得特别重要。实际上，易于操作和协作的开源开发可以加快测试周期。轻型机器人不需要起重机或导向结构，可以由一个研究人员在较小的实验室空间中操作。它们还可以大大减少维修和维护的时间和成本。当直接在实际硬件[31]，[32]上测试学习算法时和需要一个安全的平台去探索各种控制模式时，这些特性变得尤为重要。

为了达成这些目标，我们提出了一个新型的、完全开源的模块化腿部力矩控制制动器，用于机器人动态腿部的研究。本文作出了五个主要贡献：1） 一种新型的轻量化、低复杂度、转矩控制执行器模块，适用于基于现成组件和3D打印部件的阻抗和力控制，2）10克以下的轻量级足部接触传感器，可提供全方位的可靠接触检测，可承受剧烈撞击的机器人，3） 每条腿由两个自由度和足底传感器构成，当腿部刚度与人体跑动相似时能正常进行抗阻调节，4）四足机器人“solo”，由四条腿组装而成，总质量为2.2kg，5）用于跟踪控制全身运动的力矩控制器，使用kino-dynamic[9]，[22]优化器（kino-dynamic motion optimizer），首次展示了在陌生环境下，机器人运动的真实情况。所有设计都是开源的，包括机械图纸，电路原理和控制软件[1]。

Ⅱ. 平台和机器人概述

A.制动器概念

1）无刷电机制动器模块： 制动器模块如图2（a）所示。其由无刷电机(TMotor Antigravity 4004, 300KV)，一个9：1的双级时序同步带（Conti Synchroflflex AT3 GEN III），高分辨率光学编码器(Avago AEDM 5810) 和一个直接安装在电机轴上的转速为5000的码轮。所有的东西都包含在轻量级的3D打印外壳内，低传动比（low transmission ratio） 合适在关节高速转动时产生足够大的峰值力矩。重要的是，在设计中为了保持高精准性/透明性（transparency）以实现单独电机电流能对力矩进行准确的控制。该模块的重量为150g，管段长度为160mm。该模块的组装很简单，需要的组件很少，如图2b所示。除电机轴和滑轮这些需要专门的机械制作的部件外，所有组件均为现成的或3D打印的。将所需的关节力矩转换为所需的电机电流，需要用到这个公式：