从ihmc将研发全尺寸人形机器人Nadia带来的关于硬件平台和驱动原理的思考

来源 | 知乎

作者 | 任赜宇

ihmc是谁？

ihmc的全名为Institute for Human & Machine Cognition（中文名称为人类与机器认知研究所），坐落在美国佛罗里达。ihmc可以说是世界上最为顶尖的研究双足人形机器人步行运动控制的研究所之一：在2015年的Darpa Robotics Challenge（DRC）完成了所有的8个任务，仅仅是因为耗时长屈居于韩国KAIST之后，获得了第二名的好成绩。但是如果你关注过15年DRC比赛的具体过程，KAIST还是使用了很多“占便宜与讨巧”的方法，因此在作者心目中硬核的第一名是属于ihmc。

Jerry Pratt目前是ihmc机器人部门的Head，从学术生涯来看是师承大牛Gill Pratt和Marc Raibert的MIT学派。

ihmc为什么要现在研发自己的硬件平台？

但凡是接触过全尺寸双足人形机器人的研发人员，都知道拥有一台自己能够维护与修理、底层接口全部开放，能够完全被自己“掌控”的硬件平台，是多么的幸福与奢侈。

ihmc以前一直采取的策略是：只做上层的应用（主要是针对全尺寸双足人形的locomotion），硬件平台是采取合作租用的形式——前后使用过包括美国航天局（NASA）的Valkyrie和波士顿动力（Boston Dynamics Institute）的Atlas机器人，NASA和BDI为ihmc提供硬件平台与日常维护，ihmc与之共享上层应用的算法与代码作为回报。

据IEEE Spectrum的采访来看，ihmc下定决心研发全尺寸人形机器人主要是基于如下四点原因：

1. 第一点是ihmc目前的算法已经到达了Valkyrie和Atlas的物理性能极限，即硬件平台的运动性能已经跟不上相应的上层控制的要求，ihmc希望寻求更好的硬件平台。这里需要注意的是：ihmc使用的是波士顿动力的旧平台Atlas而不是后空翻的新一代Atlas2，波士顿动力并没有给ihmc提供最新的Atlas2平台，还真有点耐人寻味。

ihmc使用的是左图旧一代Atlas，而非最新一代如右图的Atlas2

2. 第二点是市面上缺乏可选择的全尺寸人形机器人商用平台。这里很有趣的是，ihmc表达了对前不久刚问世的Agility Robot的Digit与其元老Cassie机器人的”嫌弃“：

"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

主要还是针对Cassie腿部的自由度缺失，Cassie腿部目前具有的5自由度对于某些步行任务是高效的，但对于某些步行任务则是不足的——需要完整的6自由度。还有就是具备上身的Digit机器人没有提供相应的价格信息，与看不到科研层面研发的可能性。关于Robert说的没有看到Digit身上所具备的科研可能性，作者这里打一个问号。

3. 第三点是正如作者之前所说的，有属于自己研发的硬件平台能够在后续控制和应用上享受更大的自主性和独立性——你可以配置底层的任何参数和接口。

4. 第四点是找到了合适的封装好的驱动单元，即来自MOOG与IIT HyQ合作的Integrated Smart Actuators(ISA)，有现有的顶尖技术可以加以利用。我们知道腿足式机器人的硬件研发，驱动器是核心，有了现成的性能较好的单元模块化驱动器，搭建整个硬件平台就是站在巨人的肩膀上做集成工作，相应的研发难度和周期都会降低许多。关于这个液压驱动的ISA，作者会在下文中做相应介绍。

为什么选择采用液压方案而非电机方案？

关于这点的话，作者本人和ihmc关于此问题的观点比较相近，所以就做一个“结论性”的阐述，当然科研上条条大路通罗马，十分欢迎有不同的意见。

现阶段的大尺寸线圈、低减速比的本体电机（Proprioceptive Actuator）方案，能够产生高转速和相对较大的扭矩，非常适合小巧轻便的四足机器人和自由度缺失（非全尺寸）的双足机器人应用，比如MIT的Cheetah和Agility Robot的Digit等。
对于全尺寸的双足机器人——笼统来说，单腿6自由度，手臂6或7自由度，具备躯干和末端执行器。电机方案的功率密度是远远不足以去完成爆炸性地运动的，诸如Atlas2之前展示的跑酷与后空翻等。
对于未来双足机器人的整体发展趋势而言，强调的是动态和爆炸性运动性能，即Dynamic and explosive motion，传统的相对静态的运动性能，例如基于经典的ZMP理论将会慢慢被淘汰。因此在对驱动器性能的要求上，液压是符合的。
作者本身做过很多基于电机驱动原理的"小修小补"的驱动器设计，包括并联弹性驱动器（Parallel Elastic Actuator）, 变刚度弹性驱动器（Variable Stiffness Actuator ）和串联离合器的驱动器（Series Clutch Actuaor）。现在的一个更清醒的认识是：这些工作更多的是一定程度上的trade-off，更多的是针对某种特定应用场景的解决方案，而非一个General Solution。具体来说，在现有的电机Electromagnet的原理下，我们永远绕不开核心功率密度不足的大山，很多时候，我们只是在某种应用场合强调了大扭矩，而牺牲了高速度，在另外一种场合强调了高速度，而牺牲了大扭矩。
想要做到面向双足机器人的液压方案的高可靠性、高集成度，光是一个高质量的金属3D打印就让很多国家和实验室望而却步——没有技术储备和足够的资金。液压方案的入门门槛太高，但是把初期硬件研发的硬骨头给啃下来，未来的应用潜力则是无限的。

关于Nadia机器人一些现有的参数情报

最后的话，来简要介绍一下Nadia机器人透露出现有的相关硬件性能参数。

3D Printed mockup of Nadia

上图是ihmc目前提供的一个Nadia机器人3D打印的小样图。

整体的身高控制在1.7m和1.82m之间，体重将控制在90公斤以下。从自由度来看，因为主要是针对步行应用，单腿是6自由度的配置，躯干部分从小样图来看是具备自由度的，可能是yaw-roll的双自由度配置（不确定），双臂的定位就是简单的操作要求，单臂4自由度。目前的小样图不包括液压泵以及动力源，实际的硬件设计将会远复杂于所展示的小样图。

最为核心的关节驱动器将会使用MOOG提供的 Integrated Smart Actuators (ISA)，由MOOG和IIT HyQ联合研发，链接在此

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

Integrated Smart Actuator (ISA)

关于上图ISA的一些技术信息（因为MOOG有一定的美国军方背景，所以具体的详细参数没有对外公布）：

3D钛金属打印液压管道与外壳，保证强度和尺寸上的紧凑性
高集成化驱动器：伺服阀和控制器集成在较轻的质量下，紧凑的即插即用（plug-and-play）系统
高功率输出密度（power to weight），如果不考虑外在的液压泵，单驱动器的功率密度大于人类的肌肉
高动态性、高控制精度、高鲁棒性与可靠性

据ihmc透露，Nadia机器人所在的项目为时3年，从2019年的1月开始，预计在项目结束时能够看到Nadia机器人真正的运动性能，让我们拭目以待。

—— 完 ——

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