你知道Walker为什么会这么“健硕”吗？「AI大咖说」第三期，一起走进大型仿人机器人的“骨骼”奥秘。

从前，仿人机器人只是简单地模拟人或机器的某个动作，现在，仿人机器人的运动步态包含步行、跳跃、踢球、上下楼梯：

Walker踢足球涉及到多项复杂技术连“开车上路”都难不倒：

日本东京大学团队进行机器人驾驶汽车的研究挑战

这一切的实现离不开机器人的结构设计和制造，也就是今天的重点课题——整机构型。整机构型对仿人机器人来说到底有多重要？今天跟着AI因斯坦·琨的脚步，秒变机械达人▼

通过视频，我们知道了仿人机器人的机械部分类似于人类骨骼，决定着体型、神经功能、关节活动。

什么是机械部分整机构型

在说整机构型之前，我们先来了解一下：仿人机器人的机械部分。仿人机器人主要由三大部分组成，分别是机械部分、控制部分、传感部分，其中机械部分就像“地基之于高楼大厦”，是其它部分的重要基础。

按系统分类，机械部分包含驱动系统和机械系统两个子系统。按部位分类，机械部分又可以分为头、胸腔、手臂、手、腿和足等。

仿人机器人机械部分的部位分类

作为机械部分的关键点之一，整机构型与关节的数量及布置方式紧密相关。一般成年人的骨头有206块，大的关节有78个，而仿人机器人模拟人类的关节和骨骼架构，通常有15-70个关节。

人体关节类型分布vs一般大型仿人机器人关节类型分布

仿人机器人通常头部有1~3个关节，手臂有4~7个关节，腿部有6~7个关节，手部有2~13个关节。

整机构型的重要性

进行整机构型的研究应用，是一项极具挑战性的工作，对机器人设计的成功至关重要，备受国内外机器人团队关注。

❏ 国外研究现状

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❏ 国内研究现状

通过国内外的研究现状对比，可以看到整机构型对于仿人机器人具有十分重要的意义▼

① 整机构型对机器人的运动性能有重要影响：

LOLA机器人做了多种大腿和小腿的结构比较，最后从中选优，其目的是通过构型的改变提高机器人运动性能。

② 减少机器人重量和腿部转动惯量对提升机器人的运动性能有帮助：

Digit机器人将膝盖伺服驱动器上移到大腿，踝关节伺服驱动器上移到小腿，减少腿部转动惯量，步行速度明显提升。

③ 增加腿部弹性机构可以减少机器人行走冲击力和储能：

Digit机器人减少腿部转动惯量，同时增加弹性元件，提升机器人运动能力和安全性。

整机构型的研究应用

下面我们从运动关节、构建流程、减速器等几个方面，来看看仿人机器人的整机构型研究及应用。

· 整机构型和伺服驱动器的关系

整机构型和伺服驱动器之间有两种关系，一类是伺服驱动器作为独立模块，单独测试组装，再和整机结构连接；另一类则是伺服驱动器结构和整机融合在一起。优必选大型仿人服务机器人Walker目前用的就是第一种方案。

Walker可以实现开冰箱、递送物品等灵活服务动作

· 仿人机器人的运动关节特点

Walker作为“智能助手”，在一些特定场合，能够帮助或代替人类完成简单重复的服务。因此，在做机器人关节设计时，我们首先看看人类关节和肌肉是怎么工作的。

人的关节运动的特点之一，是运作速度快、机动性好，同时脚着力点是离散的、高速碰撞的。

如何满足这种关节运动特点？这就需要在关节设计的时候，实现瞬时高功率输出、高能量利用效率以及抗瞬时冲击能力。

Walker具备上楼梯的适应能力

因此，弹性驱动器的概念被提出，它的基础来源于Hill三元素力肌肉模型，主要由三部分组成：CE收缩单元、SE串联单元、PE并列单元，分别有两种组合形式：PS肌肉模型、SP肌肉模型。

当两种模型转换成机器人应用的驱动器时，可以产生多种形式（上图右）：

(a)是传统的刚性驱动器，可以理解为电机+减速器+编码器；(b)是传统的驱动器+弹性单元，然后连接负载，构成SEA串联驱动器；(c)是在传统的驱动器外并联一个弹性单元，就是PEA；(d)在SE的基础上增加离合器clutch，弹性单元可以被控制；(e)(f)则是以上三种的一个组合形式。

· 整机构型的构建流程

对于Walker整机构型的构建流程，首先定义每个关节的力矩需求、转角需求、尺寸规格等，再根据需求去选择电机、减速器、编码器等。

整个驱动器方案做好后，再设计仿人机器人的构型，把机器人整机三维模型放进仿真平台测试，经过几轮迭代，得到一个优化设计。

· 减速器标准化制定

提到减速器，不得不说由于仿人机器人运动特点，舵机主要工作在低速高扭矩场景，而具有高速度低扭矩特性的电机无法满足直接使用需求，只能通过减速器来降低速度和提高扭矩。

仿人机器人常用的减速器主要有三大类，由于机器人对于控制上精度要求较高，回差是机器人用精密减速器的关键性能指标之一。

目前，精密减速器标准有GB/T30819-2014《机器人用谐波减速器》和GB/T 35089-2018《机器人用精密齿轮传动装置实验方法》。然而，这两个标准对机器人精密减速器的回差都没有详细规定，回差又分为静态和动态，对应的测试方法不同，非常有必要建立一个国家级的标准。作为中国通用机械工业协会减变速机分会标准化委员会委员，优必选科技积极参与《精密减速器回差测试与评价》标准制定工作，统一减速器回差测量和评价方法，促进机器人关节控制工作研究发展。

整机构型的关键工具

仿真平台是整机构型的关键工具，对于任何机械设计工作的重要性不言而喻。

不同的整机构型，哪怕只有一点点差异，从外观上很难观察出来，都会对机器人造成很大的影响。有了仿真平台，就可以对机器人物理模型进行动作模拟，缩短研发周期，减少设计风险。

在仿真平台上，针对整机构型的优化，包括了设计变量、限制条件、目标函数三个部分。

机器人机械系统优化

其中设计变量包括关节长度，比如机器人腿长，还有伺服驱动器选型，比如电机、减速器等不同组合；限制条件，包含了结构刚度及强度、关节力矩、步态轨迹；最终希望达到机器人总质量最轻、运动性能最好的优化目标。

快速行走仿真&实际效果对比

如上图所示，Walker除了手臂摆动不一致，腿部步态和运动算法都是一样的。同时，也会对仿真和真机的关节力矩曲线作比较，更好地指导实际的真机设计和测试。

未来发展趋势

在整机构型的未来发展趋势上，一是伺服驱动器和整机构型的融合设计，机电和运动控制方面的联合仿真，实现机器人的最优设计；

二是引入弹性元件，为电驱动伺服驱动器提供辅助力矩和缓冲地面冲击；

三是仿生学应用，我们知道，仿人机器人很多设计都是模拟人或动物背后的原理，这些动物和人体骨骼肌肉的研究将助推机器人机械技术的发展。

一起走进人机共存的时代

不难想象，仿人机器人的机械结构，在未来一定会得到快速发展和广泛应用。优必选科技将持续投入核心硬科技，让人类的生活方式变得更加便捷化、智能化、人性化。