倒立、跑酷、360度转体、踢足球,人形机器人的发展是越来越逆天了。

在这些逆天的动作下,机器人的设计其实有很多讲究。

为了提高人形机器人的动态性能,它们需要一种刚性结构和质量惯性特性的最优分布。

这是什么意思呢?打个比方,如果两个机器人的身高都是1米8,那么体重更轻那个,由于惯性减少,可以更轻松的完成运动范围,也就是“更灵活”。

最近,德国人工智能研究中心开发了一款人形机器人RH5,其高2m,重量仅为62.5kg,这比多数只有1.5米高的人形机器人的体重还要轻,不仅如此,RH5每只手都可执行5公斤有效载荷的重型动态任务。

▍突破体重大关——串并联混合设计

要想让人形机器人“更轻”“更灵活”,刚性结构的设计很关键,常见的几种刚性结构设计有以下几种:

串联和树型结构在机械臂中非常常见,功能性多、工作空间大、建模和控制都很简单,然而,该结构建造的人形机器人往往很笨重,通常受到速度和力/扭矩的限制。

并联结构的人形机器人可以提供更高的刚度、速度、精度和有效载荷能力,但工作空间却相对减少,结构设计复杂,且需要仔细分析和控制。

RH5机器人受人类关节的结构启发,利用了串并联混合设计,该设计结合了串联和并联结构的优点,可以大大减轻其重量,提高其结构刚度和动态特性。

机器人的设计比例与人类很接近,浑身上下共有34个DOF,连续排列的旋转执行器可以增加运动范围,对于运动范围小的关节,例如踝关节,研究人员还添加了侧倾和俯仰运动,具有良好的扭矩-速度特性,同时最大限度地减少整体重量和腿部惯性,可以轻松实现类人运动范围。

说到这,小编想起之前介绍过的人形机器人TORO,同为德国公司出品,它具有良好的路况动态步行能力,但其小腿设计使用了串联结构,RH5 机器人的踝关节可以为提供比 TORO 踝关节更好的最大速度和扭矩,而不会影响运动范围;同时,RH5小腿的重量是TORO小腿重量的一半,仅有2.3kg,而两条小腿的长度几乎相等。

▍全身轨迹优化算法,稳定性提升Get!

RH5串并联混合的结构可以让机器人减轻重量,提高动态特性,但同时这也是一个高度复杂的机电系统,此类机器人的通用处理仍然是一个悬而未决的问题,建模深度和准确性与计算效率之间总是存在权衡。

为此,研究人员提出了一种改进的接触稳定性软约束DDP算法,对机器人进行分析和控制,这是一种基于微分动态规划的全身轨迹优化技术,能够生成物理一致的人形行走轨迹,并通过物理模拟器中的简单PD位置控制来跟踪。

RH5机器人采用了一种混合控制方法,由于机器人有多个平行的关节模块,运动控制可以以完全分散的方式实现,它结合了局部的低级电机控制和中央控制器的高级控制,从而实现具有低延迟的本地控制回路。

来看看RH5人形机器人的初步实验结果,稳定性表现非常不错!

单脚抬起的稳定性:

做一组膝盖关节运动:

目前,研究人员只对RH5人形机器人进行了简单的测试,一起期待它未来更精彩的表现吧!

举报/反馈

机器人大讲堂

1.5万获赞 6538粉丝
机器人垂直领域服务平台
优质科技领域创作者
关注
0
0
收藏
分享