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

背景

想象一下：機器人伙伴輔助每個(gè)人完成工作，在機場(chǎng)幫助旅客搬運行李，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的核心位置，距離世界聞名的蘭布拉大道步行街僅數步之遙。

PAL Robotics是機器人行業(yè)的領(lǐng)先者，在他們繁忙熙攘的辦公區內，機器人的設計、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(zhù)如何不斷改進(jìn)機器人的功能。

挑戰

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

機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)配合運動(dòng)。雙足機器人的控制系統必須處理兩個(gè)階段之間的轉換，即雙足支撐（雙足同時(shí)著(zhù)地），及單足支撐（單足著(zhù)地）。

由于機器人運動(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)現控制，因為其中的試錯過(guò)程過(guò)于復雜。相反，業(yè)內普遍采用一種稱(chēng)為“軌跡優(yōu)化”的數值方法，即預先規定機器人的“理想行走路徑”，然后使用此數值方法計算最為接近此路徑的最佳近似值；其中所謂“最佳”的標準則通過(guò)一個(gè)特定的代價(jià)函數來(lái)確定，此函數可兼顧機器人的理想行走路徑和物理限制這兩個(gè)條件。

人型機器人的關(guān)節設計有著(zhù)嚴格的空間和重量限制，目的是盡可能減小機器人的體積和慣性。PAL Robotics制造的大部分機器人都與真人大小類(lèi)似，并擁有多達40種的運動(dòng)自由度。

解決方案

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

安裝有AksIM絕對式磁旋轉編碼器系統的REEM-C膝部關(guān)節

在對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旋轉編碼器，以及元件級增量式RoLin編碼器。

為實(shí)現平衡控制，機器人的每只足底均裝有一套反饋力測量系統，該系統可計算出零力矩點(diǎn) (ZMP) — 用于評估REEM-C人型機器人穩定性的指標。測得的ZMP隨后被傳輸到“模糊邏輯”P(pán)D控制器，用以追蹤所需的ZMP，從而實(shí)現運動(dòng)平衡并防止傾翻。PD控制器的目標是調整機器人的質(zhì)心 (CoM) 位置，以便將ZMP保持在支撐區域內（即足底與地面的接觸面內）。要成功實(shí)現雙足動(dòng)態(tài)行走，需要精確控制機器人腿部關(guān)節的角度（包括位置、速度和加速度等運動(dòng)參數），這一切都離不開(kāi)旋轉編碼器的精確反饋。

REEM-C在邁步時(shí)實(shí)現單腿平衡

結果

平衡控制對于確保雙足機器人穩定運動(dòng)而言至關(guān)重要，借助編碼器輸出的數據，機器人的“大腦”可計算出當前的身體姿態(tài)，并不斷向每個(gè)關(guān)節發(fā)出新指令（包括位置、速度和加速度等），用以保持運動(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苛要求。精心選擇的RLS編碼器功能強大，可令設計師盡情發(fā)揮創(chuàng )意與才能。通過(guò)調節作用于每個(gè)關(guān)節上的瞬時(shí)扭矩來(lái)確保機器人的四肢始終處于正確位置，以此實(shí)現平衡控制和穩定行走。高精度編碼器可確保最大限度地減少控制信號誤差，控制器因此能夠快速調節機器人的身體位置，從而使ZMP始終保持在機器人的足部支撐區域內。

肘部關(guān)節和腕部關(guān)節安裝有AksIM和Orbis磁旋轉編碼器的REEM-C

關(guān)于PAL Robotics

PAL Robotics設計和制造可應用于多種場(chǎng)合的高級人型機器人和服務(wù)機器人。該公司于2004年由6名富有夢(mèng)想的工程師創(chuàng )建。PAL Robotics制造的第一款機器人名為REEM-A，其誕生契機源自一個(gè)使用機器人手臂下國際象棋的項目。從那以后，PAL Robotics便開(kāi)始定期發(fā)布新機器人產(chǎn)品，目前已推出6款不同型號的機器人，包括家用和工業(yè)用輔助型機器人TIAGO。另外一款機器人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)一系列堅固耐用的旋轉和直線(xiàn)運動(dòng)磁傳感器，產(chǎn)品廣泛應用于工業(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，在精密測量和醫療保健領(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) — 從飛機引擎、風(fēng)力渦輪發(fā)電機制造，到口腔和腦外科醫療設備等。此外，它還在全球增材制造（也稱(chēng)3D打?。╊I(lǐng)域居領(lǐng)導地位，是英國唯一一家設計和制造工業(yè)用增材制造設備（通過(guò)金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在35個(gè)國家/地區設有70多個(gè)分支機構，員工逾4,000人，其中2,700余名員工在英國本土工作。公司的大部分研發(fā)和制造均在英國本土進(jìn)行，在截至2017年6月的2017財年，雷尼紹實(shí)現了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、美國、德國和日本。