人形机器人综述(多图预警)

进行过人形机器人产品开发和设计,盘点一下目前全球领域的人形机器人。以盘点为主,不做过多详述。废话不多说,进入主题:

人形机器人下半身设计一般要求:

1. 减少总重;

2. 提高结构刚度;

3. 尽量提高质心(尤其是小腿和大腿);

4. 尽量减少腿部惯量。

足部前脚趾关节有利于降低髋关节pitch和膝关节负载;脚趾关节有利于提高步幅,进而提高机器人行走动态性能;

提供不同地面抓地力,确保适宜的接触;

能补偿小的地面不平;

较小的重量;

脚底采用弹性材质或被动机构对于开始接触时的冲击具有好的阻尼特性;

两高两低:高刚度;低惯量;低质量;高质心。

髋关节

悬臂式结构有利于避免干涉,扩大pitch运动范围。


按照腿部驱动总体布置差异进行归纳总结

1.膝关节或踝关节采用滚珠丝杠传动系列

1.1Johnnie

腿6个自由度,髋关节3,膝盖1,踝关节2。只有踝关节用并联电机+滚珠丝杠结构。其他关节电机+谐波减速器。

Johnnie

1.2LOLA

腿6个自由度,髋关节3,膝盖1,踝关节2。膝关节采用电机+滚珠丝杠传动,踝关节采用电机+同步带+锥齿轮+滚珠丝杠+连杆传动,有脚趾主动关节,其他电机+谐波减速器。膝关节和踝关节所有驱动均布置于大腿内部,质心高,惯量低。

1.3BIP2000

高180cm,重105kg,双腿各6个自由度。所有关节无刷电机驱动。5个关节用了谐波,其他用线性驱动用行星滚柱丝杆:膝关节和髋关节前屈/后伸用曲柄滑块机构,踝关节两个曲柄滑块机构。膝关节驱动电机布置在大腿上,滚柱丝杠传动。踝关节电机布置与小腿上,每条腿两个电机,用滚柱丝杠。

1.4M2V2

腿部滚珠丝杠+结合螺旋弹簧(螺母和负载之间)。驱动采用自主设计的弹性驱动单元——电机+滚柱丝杠+弹簧部件。

1.5SAFFiR/THOR/ESCHER/Johnny05

膝关节踝关节电动缸或滚珠丝杠驱动;线性单元自主设计,弹性驱动器。足部六维力传感器。

1.6Valkyrie

2.膝关节或踝关节含有同步带或关节直驱

2.1HUBO2

腿6个自由度。膝关节双电机布置于膝关节附近,同步带传动;踝关节pitch用同步带;髋关节双电机pitch同步带。

2.2Wabian-2R

高1.53m,重64.5kg。

膝关节带传动,电机位于大腿;踝关节直线传动/电机皮带传动,电机位于小腿。每条腿7个轴,足部一个被动轴。

2.3WATHLETE-1

Ankle pitch 驱动上移,采用电机+蜗轮蜗杆减速+平行四连杆传动;ankle roll驱动采用电机+同步带+蜗轮蜗杆减速传动。

2.4Honda E0-E6 P1-4(ASIMO前身)

E0:膝关节丝杠驱动、踝关节前后倾倒丝杠驱动,左右摆动电机+同步带回转。

E1:全关节电机减速机直驱。

E2:踝关节前后倾用同步带,其余直驱。

E3:膝关节电机上移,同步带传动。踝关节前后倾电机上移至膝盖下方,同步带传动。

E4-6、P1:髋关节大腿前后摆动直驱,膝关节同步带,踝关节同步带。

P2-4:

2.5E2-DR

2.6T-HR3

2.7BHR-1

2.8Mahru-III

2.9REEM-B/C

2.10UT-θ2

关节用DC有刷电机+谐波减速机。轻量化镁合金铸造身体结构件。脚踝有六维力传感器,

髋关节是球形关节,并且两个关节共用回转中心。上半身和下半身分开控制。膝盖和踝关节带传动。

膝关节有反弹离合器,增加大腿和小腿间的反弹。

3.膝关节或踝关节含有电机+四连杆

3.1TORO

腿6轴,采用模块化关节驱动,踝关节pitch驱动采用关节+连杆驱动,驱动电机位于小腿。

3.2DURUS

高180cm,重79.5kg。腿有六个自由度:髋关节3:链传动,电机+定制摆线减速机。膝关节驱动位于大腿。踝关节驱动位于小腿,连杆传动。‘cost of transport’系数约为atlas的20倍,接近人类。采用高效的定制摆线减速器提高传动效率,效率高达97%,2.7kg关节重量可提供250nm的力矩输出,关节加速度超过130rad/s2。踝关节下方设计缓冲弹簧吸收冲击。

3.3WALK-MAN

高191.5cm,重102kg。腿部6轴,膝关节驱动位于大腿,膝盖上方通过连杆驱动膝关节回转;踝关节pitch驱动位于膝关节内部通过连杆驱动,踝关节roll直接关节驱动。

任赜宇:关于双足人型机器人——六自由度机械腿常见结构设计与比较294 赞同 · 28 评论文章

3.4COMAN

高94.5cm,重31.2kg。刚性和柔性关节结合。足部有六维力传感器。

3.5Cassie&Digit V2

腿部仿鸵鸟设计,腿部质心非常高,行走表现非常优秀。

3.6Walker

Ankle pitch驱动位于小腿,上移采用四连杆传动;

为将Hip形成球关节,结构节奏,牺牲了大腿惯量,hip pitch驱动下移,采用四连杆传动。

3.7ASIMO

高130cm,48kg。最大奔跑速度9km/h。腿部高度定制化设计——knee pitch采用平行四连杆传动,驱动上移;ankle pitch&roll采用并联机构,驱动布置于大腿部分,采用同步带+锥齿轮组+连杆传动;

高度定制化设计,腿部所有驱动均布置于大腿(设计思路LOLA与之异曲同工),ASIMO是目前行走性能、产品化二者的最佳平衡,是电驱动人形机器人机电一体化设计的巅峰,膜拜。

其他

机器人系统硬件的集成:自带液压泵动力源,整合驱动器(液压缸的快速响应与精确力控)、传感器再加上优异的机械设计、结构强度,造就了这世界上独一无二的Atlas 2。

公认人形机器人巅峰之作,领先地球50年。

总结

在行走效率方面,DURUS做了深入的研究;LOLA将腿部低惯量贯彻到了极致;ASIMO兼顾低惯量和产品化,走的最快;walker则在产品化、人机交互方面做的更好;Cassie仿生鸵鸟的设计非常有特色。Walk-man则综合考虑了低惯量、结构简化。


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