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此案例介紹了PAL Robotics研發(fā)的REEM-C全尺寸雙足人型機器人 — 一款可在眾多應用領域一展身手的通用型機器人。REEM-C可為包括航海、機器視覺、人-機器人交互、人工智能、抓握、行走和語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人完成工作，在機場幫助旅客搬運行李，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是機器人行業(yè)的領先者，在他們繁忙熙攘的辦公區(qū)內(nèi)，機器人的設計、編程和組裝工作正在有條不紊地進行，工程師三三兩兩聚在一起，討論著如何不斷改進機器人的功能。

挑戰(zhàn)

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

機器人的行走涉及雙足與周圍環(huán)境的接觸，以及多種自由度下身體各個部分的并發(fā)配合運動。雙足機器人的控制系統(tǒng)必須處理兩個階段之間的轉(zhuǎn)換，即雙足支撐（雙足同時著地），及單足支撐（單足著地）。

由于機器人運動力學的非線性特點，因此很難通過單純的程序法則來實現(xiàn)行走控制，而且通常也無法通過實時狀態(tài)分析方法實現(xiàn)控制，因為其中的試錯過程過于復雜。相反，業(yè)內(nèi)普遍采用一種稱為“軌跡優(yōu)化”的數(shù)值方法，即預先規(guī)定機器人的“理想行走路徑”，然后使用此數(shù)值方法計算最為接近此路徑的最佳近似值；其中所謂“最佳”的標準則通過一個特定的代價函數(shù)來確定，此函數(shù)可兼顧機器人的理想行走路徑和物理限制這兩個條件。

人型機器人的關節(jié)設計有著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似，并擁有多達40種的運動自由度。

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節(jié)，能夠根據(jù)任務要求完成一系列復雜的運動。要對各關節(jié)的扭矩、速度和位置進行伺服控制，需要用到高質(zhì)量的編碼器反饋數(shù)據(jù)。

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

在對PAL Robotics的各種業(yè)務需求和產(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，以及元件級增量式RoLin編碼器。

為實現(xiàn)平衡控制，機器人的每只足底均裝有一套反饋力測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可計算出零力矩點 (ZMP) — 用于評估REEM-C人型機器人穩(wěn)定性的指標。測得的ZMP隨后被傳輸?shù)健澳：壿嫛盤D控制器，用以追蹤所需的ZMP，從而實現(xiàn)運動平衡并防止傾翻。PD控制器的目標是調(diào)整機器人的質(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)）。要成功實現(xiàn)雙足動態(tài)行走，需要精確控制機器人腿部關節(jié)的角度（包括位置、速度和加速度等運動參數(shù)），這一切都離不開旋轉(zhuǎn)編碼器的精確反饋。

REEM-C在邁步時實現(xiàn)單腿平衡

結(jié)果

平衡控制對于確保雙足機器人穩(wěn)定運動而言至關重要，借助編碼器輸出的數(shù)據(jù)，機器人的“大腦”可計算出當前的身體姿態(tài)，并不斷向每個關節(jié)發(fā)出新指令（包括位置、速度和加速度等），用以保持運動平衡。

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。通過調(diào)節(jié)作用于每個關節(jié)上的瞬時扭矩來確保機器人的四肢始終處于正確位置，以此實現(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誤差，控制器因此能夠快速調(diào)節(jié)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(qū)域內(nèi)。

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

關于PAL Robotics

PAL Robotics設計和制造可應用于多種場合的高級人型機器人和服務機器人。該公司于2004年由6名富有夢想的工程師創(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使用機器人手臂下國際象棋的項目。從那以后，PAL Robotics便開始定期發(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。

關于RLS

RLS d.o.o是雷尼紹的關聯(lián)公司。RLS生產(chǎn)一系列堅固耐用的旋轉(zhuǎn)和直線運動磁傳感器，產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化、金屬切削、紡織、包裝、電子芯片/電路板、機器人等行業(yè)及領域。

關于雷尼紹

雷尼紹是世界領先的工程科技公司之一，在精密測量和醫(yī)療保健領域擁有專業(yè)技術。公司向眾多行業(yè)和領域提供產(chǎn)品和服務 — 從飛機引擎、風力渦輪發(fā)電機制造，到口腔和腦外科醫(yī)療設備等。此外，它還在全球增材制造（也稱3D打印）領域居領導地位，是英國唯一一家設計和制造工業(yè)用增材制造設備（通過金屬粉末“打印”零件）的公司。

雷尼紹集團目前在35個國家/地區(qū)設有70多個分支機構，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行，在截至2017年6月的2017財年，雷尼紹實現(xiàn)了5.368億英鎊的銷售額，其中95%來自出口業(yè)務。公司最大的市場為中國、美國、德國和日本。