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此案例介紹了PAL Robotics研發(fā)的REEM-C全尺寸雙足人型機(jī)器人 — 一款可在眾多應(yīng)用領(lǐng)域一展身手的通用型機(jī)器人。REEM-C可為包括航海、機(jī)器視覺(jué)、人-機(jī)器人交互、人工智能、抓握、行走和語(yǔ)音識(shí)別等的一系列應(yīng)用提供全定制化基礎(chǔ)的研發(fā)平臺(tái)。

背景

想象一下：機(jī)器人伙伴輔助每個(gè)人完成工作，在機(jī)場(chǎng)幫助旅客搬運(yùn)行李，甚至為老年人提供全方位的生活照料。這便是位于西班牙巴塞羅那的PAL Robotics SL公司希望創(chuàng)造的未來(lái)生活。這家創(chuàng)新型公司坐落在巴塞羅那老城區(qū)的核心位置，距離世界聞名的蘭布拉大道步行街僅數(shù)步之遙。

PAL Robotics是機(jī)器人行業(yè)的領(lǐng)先者，在他們繁忙熙攘的辦公區(qū)內(nèi)，機(jī)器人的設(shè)計(jì)、編程和組裝工作正在有條不紊地進(jìn)行，工程師三三兩兩聚在一起，討論著如何不斷改進(jìn)機(jī)器人的功能。

挑戰(zhàn)

PAL Robotics首席技術(shù)官Luca Marchionni（右圖）指出，最大的挑戰(zhàn)之一是保持機(jī)器人行走時(shí)的平衡，而這一點(diǎn)對(duì)于人類(lèi)而言似乎是理所當(dāng)然的事情。

機(jī)器人的行走涉及雙足與周?chē)h(huán)境的接觸，以及多種自由度下身體各個(gè)部分的并發(fā)配合運(yùn)動(dòng)。雙足機(jī)器人的控制系統(tǒng)必須處理兩個(gè)階段之間的轉(zhuǎn)換，即雙足支撐（雙足同時(shí)著地），及單足支撐（單足著地）。

由于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)力學(xué)的非線(xiàn)性特點(diǎn)，因此很難通過(guò)單純的程序法則來(lái)實(shí)現(xiàn)行走控制，而且通常也無(wú)法通過(guò)實(shí)時(shí)狀態(tài)分析方法實(shí)現(xiàn)控制，因?yàn)槠渲械脑囧e(cuò)過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。相反，業(yè)內(nèi)普遍采用一種稱(chēng)為“軌跡優(yōu)化”的數(shù)值方法，即預(yù)先規(guī)定機(jī)器人的“理想行走路徑”，然后使用此數(shù)值方法計(jì)算最為接近此路徑的最佳近似值；其中所謂“最佳”的標(biāo)準(zhǔn)則通過(guò)一個(gè)特定的代價(jià)函數(shù)來(lái)確定，此函數(shù)可兼顧機(jī)器人的理想行走路徑和物理限制這兩個(gè)條件。

人型機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)有著嚴(yán)格的空間和重量限制，目的是盡可能減小機(jī)器人的體積和慣性。PAL Robotics制造的大部分機(jī)器人都與真人大小類(lèi)似，并擁有多達(dá)40種的運(yùn)動(dòng)自由度。

解決方案

PAL Robotics制造的REEM-C和其他人型機(jī)器人均具有完全鉸接式關(guān)節(jié)，能夠根據(jù)任務(wù)要求完成一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。要對(duì)各關(guān)節(jié)的扭矩、速度和位置進(jìn)行伺服控制，需要用到高質(zhì)量的編碼器反饋數(shù)據(jù)。

安裝有AksIM絕對(duì)式磁旋轉(zhuǎn)編碼器系統(tǒng)的REEM-C膝部關(guān)節(jié)

在對(duì)PAL Robotics的各種業(yè)務(wù)需求和產(chǎn)品做了深入了解之后，雷尼紹提供了編碼器選型建議。PAL Robotics最終選用了由雷尼紹的關(guān)聯(lián)公司RLS生產(chǎn)的非接觸式磁編碼器，包括集成到膝部（上圖）、腕部和肘部的AksIM和Orbis旋轉(zhuǎn)編碼器，以及元件級(jí)增量式RoLin編碼器。

為實(shí)現(xiàn)平衡控制，機(jī)器人的每只足底均裝有一套反饋力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可計(jì)算出零力矩點(diǎn) (ZMP) — 用于評(píng)估REEM-C人型機(jī)器人穩(wěn)定性的指標(biāo)。測(cè)得的ZMP隨后被傳輸?shù)健澳：壿嫛盤(pán)D控制器，用以追蹤所需的ZMP，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平衡并防止傾翻。PD控制器的目標(biāo)是調(diào)整機(jī)器人的質(zhì)心 (CoM) 位置，以便將ZMP保持在支撐區(qū)域內(nèi)（即足底與地面的接觸面內(nèi)）。要成功實(shí)現(xiàn)雙足動(dòng)態(tài)行走，需要精確控制機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)的角度（包括位置、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)），這一切都離不開(kāi)旋轉(zhuǎn)編碼器的精確反饋。

REEM-C在邁步時(shí)實(shí)現(xiàn)單腿平衡

結(jié)果

平衡控制對(duì)于確保雙足機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)而言至關(guān)重要，借助編碼器輸出的數(shù)據(jù)，機(jī)器人的“大腦”可計(jì)算出當(dāng)前的身體姿態(tài)，并不斷向每個(gè)關(guān)節(jié)發(fā)出新指令（包括位置、速度和加速度等），用以保持運(yùn)動(dòng)平衡。

RLS磁編碼器為PAL Robotics提供了靈活的位置反饋解決方案，能夠滿(mǎn)足在空間和性能方面的嚴(yán)苛要求。精心選擇的RLS編碼器功能強(qiáng)大，可令設(shè)計(jì)師盡情發(fā)揮創(chuàng)意與才能。通過(guò)調(diào)節(jié)作用于每個(gè)關(guān)節(jié)上的瞬時(shí)扭矩來(lái)確保機(jī)器人的四肢始終處于正確位置，以此實(shí)現(xiàn)平衡控制和穩(wěn)定行走。高精度編碼器可確保最大限度地減少控制信號(hào)誤差，控制器因此能夠快速調(diào)節(jié)機(jī)器人的身體位置，從而使ZMP始終保持在機(jī)器人的足部支撐區(qū)域內(nèi)。

肘部關(guān)節(jié)和腕部關(guān)節(jié)安裝有AksIM和Orbis磁旋轉(zhuǎn)編碼器的REEM-C

關(guān)于PAL Robotics

PAL Robotics設(shè)計(jì)和制造可應(yīng)用于多種場(chǎng)合的高級(jí)人型機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人。該公司于2004年由6名富有夢(mèng)想的工程師創(chuàng)建。PAL Robotics制造的第一款機(jī)器人名為REEM-A，其誕生契機(jī)源自一個(gè)使用機(jī)器人手臂下國(guó)際象棋的項(xiàng)目。從那以后，PAL Robotics便開(kāi)始定期發(fā)布新機(jī)器人產(chǎn)品，目前已推出6款不同型號(hào)的機(jī)器人，包括家用和工業(yè)用輔助型機(jī)器人TIAGO。另外一款機(jī)器人TALOS則用于在生產(chǎn)線(xiàn)上完成指定工作，例如擰緊人工難以觸及的螺釘，以及協(xié)助搬運(yùn)重型工件等。

關(guān)于RLS

RLS d.o.o是雷尼紹的關(guān)聯(lián)公司。RLS生產(chǎn)一系列堅(jiān)固耐用的旋轉(zhuǎn)和直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)磁傳感器，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、金屬切削、紡織、包裝、電子芯片/電路板、機(jī)器人等行業(yè)及領(lǐng)域。

關(guān)于雷尼紹

雷尼紹是世界領(lǐng)先的工程科技公司之一，在精密測(cè)量和醫(yī)療保健領(lǐng)域擁有專(zhuān)業(yè)技術(shù)。公司向眾多行業(yè)和領(lǐng)域提供產(chǎn)品和服務(wù) — 從飛機(jī)引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)制造，到口腔和腦外科醫(yī)療設(shè)備等。此外，它還在全球增材制造（也稱(chēng)3D打印）領(lǐng)域居領(lǐng)導(dǎo)地位，是英國(guó)唯一一家設(shè)計(jì)和制造工業(yè)用增材制造設(shè)備（通過(guò)金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團(tuán)目前在35個(gè)國(guó)家/地區(qū)設(shè)有70多個(gè)分支機(jī)構(gòu)，員工逾4,000人，其中2,700余名員工在英國(guó)本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國(guó)本土進(jìn)行，在截至2017年6月的2017財(cái)年，雷尼紹實(shí)現(xiàn)了5.368億英鎊的銷(xiāo)售額，其中95%來(lái)自出口業(yè)務(wù)。公司最大的市場(chǎng)為中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)和日本。