從ihmc将研發全尺寸人形機器人Nadia帶來的關于硬體平台和驅動原理的思考

來源 | 知乎

作者 | 任赜宇

                                                   ihmc是誰？

ihmc的全名為Institute for Human & Machine Cognition（中文名稱為人類與機器認知研究所），坐落在美國佛羅裡達。ihmc可以說是世界上最為頂尖的研究雙足人形機器人步行運動控制的研究所之一：在2015年的Darpa Robotics Challenge（DRC）完成了所有的8個任務，僅僅是因為耗時長屈居于南韓KAIST之後，獲得了第二名的好成績。但是如果你關注過15年DRC比賽的具體過程，KAIST還是使用了很多“占便宜與讨巧”的方法，是以在作者心目中硬核的第一名是屬于ihmc。

Jerry Pratt目前是ihmc機器人部門的Head，從學術生涯來看是師承大牛Gill Pratt和Marc Raibert的MIT學派。

                                     ihmc為什麼要現在研發自己的硬體平台？ 

但凡是接觸過全尺寸雙足人形機器人的研發人員，都知道擁有一台自己能夠維護與修理、底層接口全部開放，能夠完全被自己“掌控”的硬體平台，是多麼的幸福與奢侈。

ihmc以前一直采取的政策是：隻做上層的應用（主要是針對全尺寸雙足人形的locomotion），硬體平台是采取合作租用的形式——前後使用過包括美國航天局（NASA）的Valkyrie和波士頓動力（Boston Dynamics Institute）的Atlas機器人，NASA和BDI為ihmc提供硬體平台與日常維護，ihmc與之共享上層應用的算法與代碼作為回報。

據IEEE Spectrum的采訪來看，ihmc下定決心研發全尺寸人形機器人主要是基于如下四點原因：

1. 第一點是ihmc目前的算法已經到達了Valkyrie和Atlas的實體性能極限，即硬體平台的運動性能已經跟不上相應的上層控制的要求，ihmc希望尋求更好的硬體平台。這裡需要注意的是：ihmc使用的是波士頓動力的舊平台Atlas而不是後空翻的新一代Atlas2，波士頓動力并沒有給ihmc提供最新的Atlas2平台，還真有點耐人尋味。

          ihmc使用的是左圖舊一代Atlas，而非最新一代如右圖的Atlas2

2. 第二點是市面上缺乏可選擇的全尺寸人形機器人商用平台。這裡很有趣的是，ihmc表達了對前不久剛問世的Agility Robot的Digit與其元老Cassie機器人的”嫌棄“：

"There is Cassie as an option, which looks like a good robot, but it's not a humanoid, strictly speaking. While Digit has an upper body, I haven't seen anything about sale price, or research availability for that platform. "——Robert Griffin

主要還是針對Cassie腿部的自由度缺失，Cassie腿部目前具有的5自由度對于某些步行任務是高效的，但對于某些步行任務則是不足的——需要完整的6自由度。還有就是具備上身的Digit機器人沒有提供相應的價格資訊，與看不到科研層面研發的可能性。關于Robert說的沒有看到Digit身上所具備的科研可能性，作者這裡打一個問号。

3. 第三點是正如作者之前所說的，有屬于自己研發的硬體平台能夠在後續控制和應用上享受更大的自主性和獨立性——你可以配置底層的任何參數和接口。

4. 第四點是找到了合适的封裝好的驅動單元，即來自MOOG與IIT HyQ合作的Integrated Smart Actuators(ISA)，有現有的頂尖技術可以加以利用。我們知道腿足式機器人的硬體研發，驅動器是核心，有了現成的性能較好的單元子產品化驅動器，搭建整個硬體平台就是站在巨人的肩膀上做內建工作，相應的研發難度和周期都會降低許多。關于這個液壓驅動的ISA，作者會在下文中做相應介紹。

                                 為什麼選擇采用液壓方案而非電機方案？ 

關于這點的話，作者本人和ihmc關于此問題的觀點比較相近，是以就做一個“結論性”的闡述，當然科研上條條大路通羅馬，十分歡迎有不同的意見。

1. 現階段的大尺寸線圈、低減速比的本體電機（Proprioceptive Actuator）方案，能夠産生高轉速和相對較大的扭矩，非常适合小巧輕便的四足機器人和自由度缺失（非全尺寸）的雙足機器人應用，比如MIT的Cheetah和Agility Robot的Digit等。
2. 對于全尺寸的雙足機器人——籠統來說，單腿6自由度，手臂6或7自由度，具備軀幹和末端執行器。電機方案的功率密度是遠遠不足以去完成爆炸性地運動的，諸如Atlas2之前展示的跑酷與後空翻等。
3. 對于未來雙足機器人的整體發展趨勢而言，強調的是動态和爆炸性運動性能，即Dynamic and explosive motion，傳統的相對靜态的運動性能，例如基于經典的ZMP理論将會慢慢被淘汰。是以在對驅動器性能的要求上，液壓是符合的。
4. 作者本身做過很多基于電機驅動原理的"小修小補"的驅動器設計，包括并聯彈性驅動器（Parallel Elastic Actuator）, 變剛度彈性驅動器（Variable Stiffness Actuator ）和串聯離合器的驅動器（Series Clutch Actuaor）。現在的一個更清醒的認識是：這些工作更多的是一定程度上的trade-off，更多的是針對某種特定應用場景的解決方案，而非一個General Solution。具體來說，在現有的電機Electromagnet的原理下，我們永遠繞不開核心功率密度不足的大山，很多時候，我們隻是在某種應用場合強調了大扭矩，而犧牲了高速度，在另外一種場合強調了高速度，而犧牲了大扭矩。
5. 想要做到面向雙足機器人的液壓方案的高可靠性、高內建度，光是一個高品質的金屬3D列印就讓很多國家和實驗室望而卻步——沒有技術儲備和足夠的資金。液壓方案的入門門檻太高，但是把初期硬體研發的硬骨頭給啃下來，未來的應用潛力則是無限的。

                                               關于Nadia機器人一些現有的參數情報 

最後的話，來簡要介紹一下Nadia機器人透露出現有的相關硬體性能參數。

                                     3D Printed mockup of Nadia

上圖是ihmc目前提供的一個Nadia機器人3D列印的小樣圖。

整體的身高控制在1.7m和1.82m之間，體重将控制在90公斤以下。從自由度來看，因為主要是針對步行應用，單腿是6自由度的配置，軀幹部分從小樣圖來看是具備自由度的，可能是yaw-roll的雙自由度配置（不确定），雙臂的定位就是簡單的操作要求，單臂4自由度。目前的小樣圖不包括液壓泵以及動力源，實際的硬體設計将會遠複雜于所展示的小樣圖。

最為核心的關節驅動器将會使用MOOG提供的 Integrated Smart Actuators (ISA)，由MOOG和IIT HyQ聯合研發，連結在此

https://www.moog.com/markets/industrial-machinery/robotics/Mobile_Robotics.html

                  Integrated Smart Actuator (ISA)

關于上圖ISA的一些技術資訊（因為MOOG有一定的美國軍方背景，是以具體的詳細參數沒有對外公布）：

• 3D钛金屬列印液壓管道與外殼，保證強度和尺寸上的緊湊性
• 高內建化驅動器：伺服閥和控制器內建在較輕的品質下，緊湊的即插即用（plug-and-play）系統
• 高功率輸出密度（power to weight），如果不考慮外在的液壓泵，單驅動器的功率密度大于人類的肌肉
• 高動态性、高控制精度、高魯棒性與可靠性

據ihmc透露，Nadia機器人所在的項目為時3年，從2019年的1月開始，預計在項目結束時能夠看到Nadia機器人真正的運動性能，讓我們拭目以待。

—— 完 ——