宇树科技AlienGo:目前最大最重实现后空翻的四足机器人[强!]及相应的硬件设计解读

宇树科技AlienGo:目前最大最重实现后空翻的四足机器人[强!]及相应的硬件设计解读

在今年ICRA的关于腿足式机器人的Workshop中,来自宇树科技的Speaker王兴兴( @王兴) 展示了其新四足机器人产品AlienGo的部分性能和设计细节,作者当时就对这款新的机器人很有兴趣,遂写了如下的文章做一个简要的设计分析前瞻,感兴趣地可以先阅读下文:

任赜宇:#2019 ICRA# 关于宇树科技新四足机器人AlienGo硬件设计前瞻zhuanlan.zhihu.com图标

而此篇文章首先将回顾一下,宇树科技于今日释出的AlienGo的新的运动Demo,其中会包含一个很精彩的后空翻。同时会简要分析一下AlienGo的硬件设计细节(即王兴兴在今年ICRA的Workshop中的展示的内容)——着重是一个分布在髋关节上,针对髋关节和膝关节pitch方向运动的双驱动器耦合设计。

运动性能展示

关于运动性能,作者在这里搬运了如下来自宇树科技的AlienGo的运动Demo:

摘自宇树科技微信公众号https://www.zhihu.com/video/1146717179503296512

上述视频中展示如下相应的性能:

  • 高爆发运动能力(后空翻)
  • 跌倒后的自动翻身功能
  • 通过崎岖路面的能力
  • 高速行走的能力(Approx. Max. 1.5m/s)
  • 集成Slam与人体运动tracking的视觉应用

其中最亮眼的无疑是通过后空翻展现的高爆发运动能力——0.25倍速的后空翻慢动作的GIF截取如下:

动图一:AlienGo的后空翻

这个运动性能目前是一个什么水平呢?很客观公正而又不吝赞美地说:这是世界上目前能看到的最大尺寸和重量的四足机器人进行的后空翻,相应的硬件设计、电机拖动与运动控制技术可以说是世界顶尖水平(作者果断推测将要预定这几天的IEEE Spectrum)

第一台能进行后空翻的四足机器人是来自MIT的Cheetah Mini,其整体的尺寸和质量(12kg)要远小于AlienGo,为什么作者在这里要着重强调相应的尺寸和重量,因为对于电机驱动的腿足式机器人的高爆发运动能力来说,尺寸效应的影响是很关键的,因此从这个角度来谈,AlienGo的高爆发运动性能是优于Cheetah Mini的。——关于这点,我在之前的文章中详细介绍到,可见如下:

任赜宇:MIT Mini Cheetah 的驱动与结构原理解读以及对尺寸效应的思考zhuanlan.zhihu.com图标

硬件设计解读

  • 针对髋关节和膝关节pitch方向双驱动器的耦合设计

对于四足机器人每条单腿的自由度设计,通常目前都是遵循串联式的Roll-Pitch-Pitch式的方案,三个驱动器都分布在髋关节,对于膝关节的pitch则通过连杆或者滚珠丝杠传递下去,有益于减小腿部惯量并提升动态运动性能,如下图的Spotmini:

图一:以Spotmini为例,常见的四足机器人髋关节串联驱动器排布方案。

但此设计也存在一些弊端,即串联式的关节设计使得电机分布在旋转关节的两侧,因此两电机间的电气连接线在设计上将有所考究。

在当今主流的关节机器人的驱动器设计中,我们有中空式走线非中空式走线两种方案,目前大多数机器人都会采用前者。因为作为后者的非中空式走线的线路会直接暴露在关节外侧,一方面影响机器人设计的整体性和紧凑性,另外一方面将带来因为勾拽而导致电气连接线脱落的安全隐患。而中空式走线将会避免这些问题(推测Spotmini也采用中空式走线的方式,如图一所示,并没有外置的电缆),但同时会在结构设计上带来更大的复杂性,并且需要扩大驱动器的径向和轴向尺寸,致使整体设计的紧凑度降低,躯体惯量增大,给后续动态运动能力带来负面影响。

同时,无论是非中空式走线还是当今主流的中空式走线,在相应关节需要旋转大量次数的工况下,都会带来相应的线材磨损和疲劳损伤,最终影响作为商品的可靠性能。我们在机器人的科研应用中,几乎已经认为中空式走线的方案是“完美”的,因为科研类机器人几乎不考虑疲劳寿命,但作为商业产品性质的AlienGo,我想追求更加极致的产品可靠性,是其硬件设计优化上永远的目标。从作者在iit和关节腿足式机器人打交道的经验来看(采用中空式走线),80%以上的机器人硬件问题都是电气连接线问题,这是目前制约机器人机电平台可靠性的瓶颈。

作者认为,主要是基于如上两个原因:1. 提升设计紧凑性;2. 提升电气连接电缆的使用寿命,AlienGo的髋关节采用了如下的耦合设计:

图二:AlienGo的单腿设计图及爆炸视图,摘自宇树科技相关专利书。

首先我们这里描述的耦合设计是不包括髋关节Roll方向的驱动器的,此驱动器的设计还是和上图Spotmini中的方案一致,并通过与上图中5(关节转接件)进行连接,传递整体Roll方向的运动给整条单腿。

上图中的3为髋关节Pitch方向的驱动器,所选取方案为半直驱方案(QDD, Quasi-Direct Drive),即集成了大力矩电机(外转子电机)+小减速比行星减速器的设计。

所谓关键的耦合设计即是膝关节pitch方向的驱动器中的电机和行星减速器分布排布,前者电机排布在上图中的4,而行星减速器则是排布在上图中的40位置。这样的排布方案下,两关节的电机几何排布上就十分接近(髋关节的大力矩电机分布在驱动器3中靠4的一侧),如此就带来相应的2个优点:

  1. 两电机分布在旋转关节(髋关节pitch)同一侧,电气连接线上不存在相对的扭转运动,提升电缆的使用寿命,同时可以提升相应电机驱动PCB的集成度;
  2. 对于髋关节Roll方向的驱动器而言,因为轴向尺寸更加紧凑,且占驱动器绝大重量的双电机排布非常靠近Roll方向轴线,极大地减小对于Roll方向惯量,有益于运动性能的提升。

具体实现细节上,膝关节电机4的输出轴自由地从中轴线穿过髋关节的驱动器3,经过齿轮箱40放大扭矩后固连于四连杆中的摇柄7,最终通过连杆6驱动膝关节。而髋关节pitch方向的驱动器3则直接驱动大腿Link端的1

这里的话,膝关节电机4及相应的传动轴和摇柄7,是和驱动器3本身是解耦和的,但由于两电机位于旋转关节同一侧的非串联设计,在摇柄7最终连接膝关节后,会带来髋关节pitch方向驱动(3+1)和膝关节pitch方向驱动(4+40+7+6)的耦合。这个耦合无疑是我们不太想要见到的,作者为此询问了王兴兴,他表示在底层的运动控制就已经用算法进行解耦,因此在上层的运动控制中是和传统的串联式设计无异。

以下这张截面图可以更好地展示针对髋关节和膝关节pitch方向双驱动器的耦合设计:

图三:AlienGo髋关节部位的截面图,摘自宇树科技相关专利书,作者进行相应注释
  • 新增传感器无线供电与传输设计

AlienGo整体的外形设计非常简洁,几乎发现不了任何的外置电气连接线,除了之前章节谈到的髋关节双驱动耦合设计以外,作者发现AlienGo可能还采用了无线供电与信号传输的传感器设计,这在其前一代产品Laikago中是没有的。在其专利设计书中提及到,在图三中的8182处安置有无线电能发射圈和无线电能接受圈,所传递的信号推测是足底的压力接触信号,具体的型号作者未知。

  • 关于AlienGo与Laikago之间的驱动器性能比较

从理论上来讲,AlienGo此次展现的后空翻性能和其新的双驱动器耦合设计并没有很核心的关联,这类腿足式进行爆发性运动的硬件核心是驱动器的扭矩输出/密度(Nm/kg)性能。

作者询问了宇树科技CEO王兴兴关于驱动器性能结构上有无原理上的改变,王兴兴表示:Laikago上集成的关节驱动器,其本身扭矩/质量的输出密度性能反而是优于AlienGo。从作者目前搜集到的信息来看,AlienGo的几何尺寸是小于Laikago的,同时自身重量也有个从~24kg级(Laikago)到~20kg(AlienGo)的减重(16.7%),小电机配上惯量、质量较小的身板能够实现的空翻,那么我们也有理由期待老一版的Laikago也能够相应地实现——硬件上的驱动性能是能够达标的,只需要对AlienGo上实现的控制算法进行相应的移植和调整。

以上的设计分析是作者根据宇树科技的相关专利书和对王兴兴的请教综合整理而成,且主要是针对结构设计这块,如果对相关其他的技术需要深入了解,可能您需要直接和王兴兴进行交流。同时据悉,这次AlienGo会在8.20-8.25的世界机器人大会(WRC)上展示,作者已经按捺不住兴趣想亲眼见证这个能力无限的“小狗”进行后空翻运动了。

编辑于 2019-08-19

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