文 | 智東西 石照耀 丁宏鈺
機器人能跑能跳，能上下樓梯，端茶倒水的秘密武器是什么？ 答案是伺服驅(qū)動器。
伺服驅(qū)動器是實現(xiàn)機器人運動能力的核心部件，在機器人系統(tǒng)中的功能等同于人體的關(guān)節(jié)組織，因此又被稱為“關(guān)節(jié)驅(qū)動器”。此外，它還要承擔一部分感知能力，感知外界的力之后再給外界一個力反饋，從而實現(xiàn)柔性控制，確保機器人在外界不斷變化的環(huán)境中安全、順暢地工作。
服務(wù)型機器人伺服驅(qū)動器技術(shù)門檻高，由于安裝空間和應(yīng)用工況的限制，不僅需要體積小、重量輕，還得具備大扭矩、高精度的特點，往往占到機器人總成本50%以上。
隨著服務(wù)機器人市場需求的快速增長，作為典型“高精尖”零部件的伺服驅(qū)動器正在受到廣泛關(guān)注。國際標準化組織齒輪技術(shù)委員會（ISO/TC60）委員、教育部長江學者特聘教授石照耀博士和優(yōu)必選人形機器人創(chuàng)新中心專家丁宏鈺撰寫了《雙足仿人機器人驅(qū)動器——演進、現(xiàn)狀與前景》一文。
這篇文章探討了伺服驅(qū)動器的發(fā)展歷程，分析了雙足仿人機器人關(guān)節(jié)的運動特點并提出了其核心技術(shù)指標。雙足仿人機器人被譽為“制造業(yè)皇冠上的明珠”，機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器（也稱為機器人一體化關(guān)節(jié)）是雙足仿人機器人關(guān)鍵部件，而機器人按動力來源又可以分為液壓、氣動、電機驅(qū)動、記憶金屬、生物類（心肌細胞）等。
本文只討論電機驅(qū)動的驅(qū)動器，該驅(qū)動器由電機、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組成。雙足仿人機器人在很多應(yīng)用場合可以協(xié)助或代替人類工作，如家庭助手、災(zāi)難救援、防爆和反恐等。研究人員期望其接近甚至達到人類的運動性能，但無論是本田的ASIMO，還是波士頓動力ATLAS，亦或是意大利技術(shù)研究院的Walk-Man都沒有全面達到人或動物的運動性能。
雙足仿人機器人關(guān)節(jié)運動特點和人類類似，如運動速度快、機動性能好、步幅和步頻變化、能量新陳代謝變化、離散著地點、高速碰撞等，這些運動特點都要求驅(qū)動器具有高功率密度、高響應(yīng)性、高能量利用效率和耐沖擊性等特性。
本文對剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器、準直驅(qū)驅(qū)動器3種主流技術(shù)路線的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行詳細論述，綜合比較這3種驅(qū)動器技術(shù)，分析當前遇到的問題，以及下一步的發(fā)展趨勢。
01.30年研發(fā)進程技術(shù)集中于四大領(lǐng)域
1971年，早稻田大學加藤一郎教授成功研制出世界上第1臺三維雙足機器人WAP-3，該機器人可以實現(xiàn)靜步行走，此舉揭開了雙足仿人機器人研制的序幕。
雙足仿人機器人相對于傳統(tǒng)輪式和履帶式機器人有許多突出的特點，如雙足仿人機器人具有地面適應(yīng)性好、能耗小、工作空間大、雙足或多足行走等優(yōu)勢，這些特點也對機器人的機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動器有很高的要求。
雙足仿人機器人驅(qū)動器的研究已有30多年歷史，其類型和歷史如圖1所示，其研究進程中有3個關(guān)鍵事件：1）1983年，早稻田大學研究的WL-10R機器人使用剛性驅(qū)動器TSA（traditional stiffness actuator）。自此雙足仿人機器人開始廣泛應(yīng)用剛性驅(qū)動器為關(guān)節(jié)動力源。2）1995年，麻省理工學院的Pratt等人提出了彈性驅(qū)動器SEA（series elastic actuator）的概念，拉開了彈性驅(qū)動器研究的序幕。美國宇航局的機器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機器人Walk-Man都使用了彈性驅(qū)動器。3）2016年，Wensing等提出了準直驅(qū)驅(qū)動器PA（proprioceptiveactuator）的概念,并將其應(yīng)用于四足機器人Cheetah和雙足機器人Hermes，準直驅(qū)驅(qū)動器成為最近幾年研究的熱點。
▲圖1 驅(qū)動器類型和歷史
過去30多年驅(qū)動器技術(shù)的發(fā)展，主要集中在以下幾方面：1）驅(qū)動器和整機關(guān)系方面，經(jīng)歷了驅(qū)動器獨立設(shè)計和整機融合的發(fā)展。2）整體設(shè)計方面，經(jīng)歷了剛性驅(qū)動器到彈性驅(qū)動器和準直驅(qū)驅(qū)動器的發(fā)展。3）減速器方面，經(jīng)歷了大傳動比減速器到小傳動減速器的演變。4）控制方面，經(jīng)歷了從位置控制到力位混合控制和阻抗控制的演變。
02.3種驅(qū)動器技術(shù)迭代，仍無法類比生物肌肉運動
驅(qū)動器技術(shù)領(lǐng)域有三種主流技術(shù)路線，分別為剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器和準直驅(qū)驅(qū)動器，本文對這三種技術(shù)路線發(fā)展進行了論述和綜合比較，同時分析了下一階段驅(qū)動器原理的新研究方向和現(xiàn)有驅(qū)動器技術(shù)的發(fā)展趨勢。
1 、剛性驅(qū)動器：設(shè)計面臨瓶頸，功率密度無法匹敵生物肌肉
剛性驅(qū)動器主要由電機、高傳動比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成，其中，力矩傳感器是可選擇項。
▲圖2 剛性驅(qū)動器
整體設(shè)計方面，Sebastian等為機器人LOLA設(shè)計了驅(qū)動器，如圖2所示，包括無刷電機、諧波減速器、絕對編碼器和增量編碼器等。
Iribe等為SDR 機器人開發(fā)了驅(qū)動器，此驅(qū)動器包括內(nèi)轉(zhuǎn)子電機和精密減速器，它的特點是具有高反驅(qū)動能力。為了方便設(shè)計布局和拆裝，Park等還提出了驅(qū)動器模塊化設(shè)計概念。
表1所示是目前主要剛性驅(qū)動器配置比較，除韓國Robotis的Dynamixel Pro Series的驅(qū)動器采用擺線針輪減速器外，其他均采用諧波減速器，為了節(jié)省軸向尺寸空間剎車和力矩傳感器不是必選的，所有的設(shè)計都使用了絕對式編碼器，因為通常機器人本體會裝有陀螺儀IMU(inertial measurement unit)，驅(qū)動器很少另外再裝設(shè)IMU。
▲表1 剛性驅(qū)動器配置比較優(yōu)化
設(shè)計方面，Huber等提出了一種基于執(zhí)行器的性能特征，來選擇最適合給定任務(wù)的執(zhí)行器類型的方法。Van de Straete等提出驅(qū)動器的新設(shè)計方法，將設(shè)計分為可行性和優(yōu)化階段，為伺服驅(qū)動器系統(tǒng)提供了快速，自動化的設(shè)計程序，同時可以圖表顯示結(jié)果。
Roos等就減速器傳動比對驅(qū)動器性能影響、伺服電機和減速器集成優(yōu)化、機械和控制整合設(shè)計進行了研究。Vaculik等研究了驅(qū)動器的設(shè)計流程，建立電機和減速器參數(shù)模型。
為了平衡電機和減速器參數(shù)，Zhou等還開發(fā)了由MSC.ADAMS動力學模型和Matlab代碼優(yōu)化算法組成的協(xié)同仿真平臺，該平臺通過電機和減速器不同組合實現(xiàn)五軸機械臂的重量輕量化。Budinger等建立了基于模型的機電執(zhí)行器初步設(shè)計的估算模型。Rezazadeh等研究了一般負載下，機器人系統(tǒng)中驅(qū)動器電動機和傳動裝置的機電選擇優(yōu)化解決方案。
Saerens等針對機器人最大連續(xù)輸出扭矩和轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)減速器級數(shù)、傳動比和不同類型的尺寸參數(shù)，制定了比例定律。由上述分析可知，剛性驅(qū)動器的整體設(shè)計方面已經(jīng)較難有創(chuàng)新，更多研究集中在電機和減速器整體優(yōu)化設(shè)計上。
然而由于元器件工藝和原理上的限制，傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器的功率密度很難達到生物肌肉的水平500W/kg，同時也解決不了機器人受外部沖擊時零部件強度問題，繼而彈性驅(qū)動器應(yīng)運而生。
2、彈性驅(qū)動器：借助肌肉力學模型，關(guān)節(jié)運動可模擬肌肉使用剛性驅(qū)動器
TSA的機器人在行走、奔跑、跳躍等運動能力上遠遠沒有達到人類和動物的水平，而人類和動物實現(xiàn)這些運動能力是依靠肌肉系統(tǒng)實現(xiàn)的。
動物可以利用剛?cè)岵募∪夤趋老到y(tǒng)在運動過程中儲存和釋放能量，調(diào)節(jié)能量在時間和功率密度上的不匹配，提高關(guān)節(jié)瞬時爆發(fā)力，高效循環(huán)利用能量，同時能夠?qū)崿F(xiàn)落地緩沖。為此科研人員研發(fā)了多種自適應(yīng)的彈性驅(qū)動器來模擬肌肉系統(tǒng)功能，使關(guān)節(jié)表現(xiàn)出柔順、安全和高能量效率特性。彈性驅(qū)動器的原理主要借鑒了Hill肌肉三元素力學模型。
如圖3所示，圖中CE （contractile element）是肌肉收縮單元，SE（serieselement）是串聯(lián)彈性單元，PE（parallelelement）是并聯(lián)彈性單元，組合后主要有PS（parallel-series）肌肉模型和SP（series-parallel）肌肉模型2種形式。
▲圖3 Hill肌肉力學模型
根據(jù)PS和SP肌肉模型結(jié)構(gòu)，由結(jié)構(gòu)相似性可得到如圖4e中所示的并串式彈性驅(qū)動器 PSEA（parallel series elastic actuator）和串并式彈性驅(qū)動器SPEA（series parallel elastic actuator）2種仿生彈性驅(qū)動器結(jié)構(gòu)。
符號A表示一般驅(qū)動元件，即剛性驅(qū)動器，圖4 a-f[31]中表示由驅(qū)動元件A與SE、PE單元共同作用構(gòu)成的彈性驅(qū)動器模型，ks和kp分別為SE和PE單元的剛度。PSEA和SPEA同時具有SE和PE單元，因此稱為多模態(tài)彈性驅(qū)動器MEA（multi-mode elastic actuator）。
▲圖4 彈性驅(qū)動器類型
剛性驅(qū)動器（TSA）、串聯(lián)彈性驅(qū)動器（SEA）、并聯(lián)彈性驅(qū)動器PEA （parallel elastic actuator）和離合彈性驅(qū)動器CEA（clutched elastic actuator）均為基本模型，它們是MEA的特例形式。
近年來研究成果及應(yīng)用主要集中在串聯(lián)彈性驅(qū)動器、并聯(lián)彈性驅(qū)動器、離合式彈性驅(qū)動器和多模態(tài)彈性驅(qū)動器。2.1 串聯(lián)彈性驅(qū)動器：增加彈性單元，降低外部碰撞沖擊串聯(lián)驅(qū)動器是在驅(qū)動元件和負載間增加彈性單元，這樣可以緩沖外部沖擊和儲能。
麻省理工學院的Pratt等人最早提出了彈性驅(qū)動器SEA的概念，并證明了SEA具有抗沖擊性，較低的反射慣性，更精確和穩(wěn)定的力控制性能，減少對環(huán)境的破壞和能量存儲，繼而開展了SEA的閉環(huán)力控和在腿足機器人上應(yīng)用研究。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，SEA近些年的研究主要集中在變剛度設(shè)計、控制和應(yīng)用上。Vanderborght等研究了機械可調(diào)節(jié)的柔度和可控制的平衡位置驅(qū)動器，其柔度和平衡位置可以完全獨立地控制，并且兩者均由專用伺服電機設(shè)定。Sariyildiz等研究了新型SEA的運動控制問題（即位置和力控制問題），提出了一種基于加速度的魯棒控制器。
通過串聯(lián)軟彈簧和硬彈簧實現(xiàn)可變剛度的SEA，來減少常規(guī)SEA的基本性能限制。Haddadin等通過優(yōu)化控制，實現(xiàn)最大化變剛度彈性驅(qū)動器的輸出速度，由于彈性驅(qū)動器儲能作用，其最大輸出速度已超過理論電機輸出能力。
為解決救災(zāi)機器人跌落和與環(huán)境的碰撞問題，意大利技術(shù)研究院設(shè)計了新型的彈性驅(qū)動器，該驅(qū)動器應(yīng)用于WALK-MAN機器人手臂，實驗驗證了負載能力和抗沖擊能力。如圖5所示，在諧波減速器輸出端和驅(qū)動器輸出間設(shè)置了彈性零件扭力桿。
▲圖5 彈性驅(qū)動器由
上述分析可知，SEA具有緩沖機器人觸地沖擊和緩解外部碰撞沖擊的作用，同時還可以儲存能量，但由于彈性元件引入，系統(tǒng)變?yōu)榍夫?qū)動系統(tǒng)，因此其運動控制精度較低。2.2 并聯(lián)彈性驅(qū)動器：并聯(lián)彈性元件，降低能量損耗并聯(lián)驅(qū)動器是在驅(qū)動元件基礎(chǔ)上增加并聯(lián)的彈性元件，使得這些元件共同作用于被驅(qū)動對象，通過控制驅(qū)動元件來調(diào)節(jié)并聯(lián)彈性元件的能量儲存和釋放。Mettin等將PEA原理應(yīng)用于2階倒立擺模型中，將被動彈簧與欠驅(qū)動執(zhí)行器并聯(lián)，可以顯著降低能量損耗。
Niehues等通過數(shù)學建模證明，在機器人關(guān)節(jié)存在時間延遲的情況下，PEA可以提高穩(wěn)定性和魯棒性，研究人員同時設(shè)計了2個具有PEA的2自由度肌腱驅(qū)動手指，實驗結(jié)果表明，在實現(xiàn)平滑軌跡跟蹤，特別是在穩(wěn)定性和對沖擊的魯棒性方面，機器人手中引入PEA具有優(yōu)勢。Brown等在機械臂中加入平行彈簧元件，加了設(shè)計合理的彈簧可以將電機峰值轉(zhuǎn)矩降低約50%，并將能耗降低25%。
Borras等在Stewart并聯(lián)機器人的關(guān)節(jié)處增加并聯(lián)彈簧，提出了簡單的優(yōu)化策略，結(jié)果表明當并聯(lián)機器人受特定力，例如重物壓在平臺上時，PEA能夠大幅減小驅(qū)動元件的輸出力矩，通過該方法在剛性不降低的情況下實現(xiàn)了小功率電機驅(qū)動大載荷。
Mazumdar等研究雙足機器人腿部應(yīng)用PEA，如何減少能量損耗，提高能量利用效率，如圖6所示。a是PEA的原理圖，b展示PEA在機器人髖關(guān)節(jié)上的應(yīng)用。Toxiri等將PEA應(yīng)用于上肢外骨骼機器人，相對于不增加平行彈性元件的設(shè)計明顯減少對電機力矩的需求，同時改善了控制性能。
▲圖6 并聯(lián)驅(qū)動器由
上述分析可知，并聯(lián)彈性元件可以實現(xiàn)能量存儲和釋放的作用，相較于傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器，并聯(lián)彈性驅(qū)動器可以顯著提高輸出功率，降低能量損耗。不過，并聯(lián)彈性驅(qū)動器在配合機器人運動、如何最大化的實現(xiàn)能力儲存和釋放方面還存在問題。
2.3 離合彈性驅(qū)動器：增加離合裝置，成驅(qū)動器研究熱點離合彈性驅(qū)動器是在串聯(lián)彈性驅(qū)動器或并聯(lián)彈性驅(qū)動器的彈性元件位置增加離合裝置，控制彈性元件開合，以控制彈性元件的能量儲存和釋放。Haeufle等介紹了CEA初始原型機的設(shè)計和控制，原型機包括直流電機、彈簧和低成本的電子離合器，研究人員在模仿人體反彈任務(wù)中膝部伸肌的扭矩和運動模式的實驗中表明，原型機中的并聯(lián)彈簧將執(zhí)行器的能耗降低了約80％，將直流電機的峰值扭矩需求降低了約66％。
Plooij等介紹了雙向離合并聯(lián)彈性執(zhí)行器（BIC-PEA）的概念和設(shè)計，驗證了通過控制離合在時間和方向上加載和卸載，并行彈簧可以減少機器人的能耗，具體設(shè)計如圖7所示。另外，Plooij等根據(jù)形態(tài)不同，把CEA分為9類，并提出了CEA功能分析的數(shù)學方法。
▲圖7 離合驅(qū)動器
Penzlin等把CEA設(shè)計用于外骨骼機器人，通過非線性模型建立、樣機制作和試驗，證明CEA可以提高外骨骼設(shè)計的效率。
DeBoon等研究CEA在康復(fù)外骨骼機器人上的應(yīng)用，驅(qū)動器包括直流電機、扭簧和磁粉制動器，提出自由運動、彈性運動和輔助阻抗運動3種制動模式。由上述分析可知，由于離合裝置的引入，CEA可以控制彈性元件能量的儲存和釋放，大幅提高了能量效率，在具體的應(yīng)用領(lǐng)域可以靈活的設(shè)置彈性元件和離合機構(gòu)的形式，此領(lǐng)域是目前研究的熱點。
2.4 多模態(tài)彈性驅(qū)動器：集合單一驅(qū)動器優(yōu)點，但系統(tǒng)建模復(fù)雜針對單一驅(qū)動器不能滿足機器人瞬時高輸出扭矩、能量效率和抗沖擊能力的問題，研究人員又提出了多模態(tài)彈性驅(qū)動器的概念。Mathijssen等人開始研究串并聯(lián)驅(qū)動器SPEA，他們利用平行彈性元件實現(xiàn)可變的載荷儲存和釋放，使用多個帶有鎖緊環(huán)和鎖板的不完全齒輪作為與電動機并聯(lián)的間歇機構(gòu)。結(jié)果表明該裝置可以降低電動機扭矩要求，減小電動機的尺寸，提高效率。
Geeroms等人設(shè)計了一種多模態(tài)驅(qū)動器，可以應(yīng)用于假肢，同時具有并聯(lián)和串聯(lián)彈簧，并聯(lián)彈簧可以鎖定、相對順應(yīng)性和直接驅(qū)動的人工膝關(guān)節(jié)，新構(gòu)型驅(qū)動器的膝關(guān)節(jié)能量消耗小，水平走路運動軌跡和健康膝關(guān)節(jié)更接近。
Roozing等基于三自由度腿部機器人，研究了只有SEA和SEA加并聯(lián)儲能分支的區(qū)別，原理和原型機如圖8所示，實驗證明，加并聯(lián)儲能分支可以節(jié)能53%以上。
▲圖8 多模態(tài)驅(qū)動器
由上述分析可知，多模態(tài)彈性驅(qū)動器集合了單一驅(qū)動器的優(yōu)點，可以實現(xiàn)很好的儲能和節(jié)能。但該驅(qū)動器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得其系統(tǒng)建模和控制也變得復(fù)雜。
3、準直驅(qū)驅(qū)動器：電機驅(qū)動開環(huán)，可本體感知腳部壓力準直驅(qū)驅(qū)動器的含義是依靠驅(qū)動器電機開環(huán)力控，不依賴于附加力或力矩傳感器，就可以本體感知機器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體驅(qū)動器。
當然，最理想的是電機直接驅(qū)動，但受限于電機工藝和技術(shù)，電機直驅(qū)驅(qū)動器的扭矩密度不能滿足機器人應(yīng)用的需求，因此，折中采用電機加低傳動比減速器的方案，同時要求負載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量盡可能的小，這樣可以實現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準直驅(qū)驅(qū)動器主要由高扭矩密度電機、低傳動比減速器、編碼器和控制板等組成。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，Wensing等設(shè)計的準直驅(qū)驅(qū)動器使用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，減速器是傳動比是5.8的精密行星減速器，如圖9所示。
▲圖9 準直驅(qū)驅(qū)動器
Benjamin等設(shè)計了改進版的準直驅(qū)驅(qū)動器，并搭建了四足機器人Cheetah和雙足機器人Hermes，進行了測試。如圖10所示，電機是外轉(zhuǎn)子力矩電機，由于直徑增加，電機力矩和半徑是平方關(guān)系，扭矩密度遠高于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，傳動比為6的行星減速器內(nèi)嵌到電機內(nèi)部，軸向尺寸緊湊。整個驅(qū)動器的扭矩密度35.4Nm/kg，功率密度達到1416W/kg，超過了肌肉的功率密度500W/kg。
▲圖10 改進版準直驅(qū)驅(qū)動器
宇樹科技提出了一種新的準直驅(qū)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，在電機基座和內(nèi)齒圈間增加了離合結(jié)構(gòu)，當外界負載沖擊力即將超過減速器零件極限時，離合結(jié)構(gòu)發(fā)生作用，外界沖擊能量轉(zhuǎn)換成摩擦熱量損耗掉，保護減速器不損傷,結(jié)構(gòu)如圖11所示。
▲圖11 帶離合功能的準直驅(qū)驅(qū)動器
另外，在驅(qū)動器的電機端和輸出端都設(shè)置了位置編碼器，電機軸采用中空結(jié)構(gòu)。銀弗科技提出了一種緊湊型準直驅(qū)驅(qū)動器，把四點角接觸軸承的滾道直接設(shè)置在行星減速器的機架上，減少驅(qū)動器的軸向尺寸，減輕重量，具體結(jié)構(gòu)見圖12。
▲圖12 緊湊的準直驅(qū)驅(qū)動器
優(yōu)必選科技提出一種軸向尺寸緊湊型準直驅(qū)驅(qū)動器，如圖13所示，驅(qū)動器的控制板布置在電機下方，第一級行星減速器嵌入電機定子內(nèi)部，第二級行星減速器設(shè)置在電機外部，極大減少驅(qū)動器的軸向尺寸。
▲圖13 緊湊的準直驅(qū)驅(qū)動器
4、從6大領(lǐng)域出發(fā)比較3種驅(qū)動器類型綜合以上對剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器和準直驅(qū)驅(qū)動器的論述，對3種驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)布局、力矩測量方式、控制特點、功率特點、能量特點、安全性和應(yīng)用場景等進行比較。
▲表2 伺服驅(qū)動器特性比較
如表2所示，結(jié)構(gòu)布局方面，TSA是常規(guī)無刷電機驅(qū)動高傳動比減速器，可以直接帶動輸出端，有些設(shè)計是在電機端增加剎車，在減速器和輸出端增加高剛性力矩傳感器。
彈性驅(qū)動器，SEA是常規(guī)無刷電機驅(qū)動高傳動比減速器，在減速器和輸出端間增加彈性體，PEA是在TSA的基礎(chǔ)上增加平行的彈性機構(gòu)，CEA是SEA或PEA的基礎(chǔ)上增加彈性體開關(guān)機構(gòu)，MEA是PEA、SEA和CEA的組合。
準直驅(qū)驅(qū)動器是高扭矩密度電機驅(qū)動低傳動比減速器，輸出端具有小慣量特性。力矩測量方面，剛性驅(qū)動器是基于電流或應(yīng)變片式力矩傳感器，彈性驅(qū)動器是使用編碼器原理或應(yīng)變片式力矩傳感器，準直驅(qū)驅(qū)動器是應(yīng)用電流環(huán)檢測。
控制方面，剛性驅(qū)動器控制相對簡單，精度高，彈性驅(qū)動器中SEA控制復(fù)雜，精度低，PEA控制相對簡單，精度高，CEA控制簡單，但精度一般，CMA控制復(fù)雜，精度一般；準直驅(qū)驅(qū)動器控制簡單，精度高。功率方面，剛性驅(qū)動器無功率調(diào)，SEA、PEA、CEA的功率調(diào)制性好，MEA功率調(diào)制非常好；準直驅(qū)驅(qū)動器的功率調(diào)制較差。
能量特性方面，剛性驅(qū)動器的效率較低；SEA和PEA的效率一般，CMA、MEA和PA的效率高。安全性方面，剛性驅(qū)動器的安全性比較差；SEA和MEA用于有彈性體的保護安全性好，PEA安全性一般，CEA較差；準直驅(qū)驅(qū)動器由于具有反驅(qū)特性，安全性好。
03.雙足仿人機器人性能仍需提升3種驅(qū)動器技術(shù)各有利弊
雙足仿人機器人驅(qū)動器經(jīng)過30多年的發(fā)展，經(jīng)歷了從剛性驅(qū)動器到彈性驅(qū)動器和準直驅(qū)驅(qū)動器的過程。但目前雙足仿人機器人的運動性能還遠沒有達到人類和動物的水平，驅(qū)動器技術(shù)還有一些難點需要克服，下一步的發(fā)展方向需要繼續(xù)深入討論。
1、剛性驅(qū)動器工業(yè)應(yīng)用廣泛，彈性驅(qū)動器控制性能欠佳剛性驅(qū)動器應(yīng)用在雙足仿人機器人最早，設(shè)計理論也相對成熟，在傳統(tǒng)的雙足機器人、工業(yè)機器人、協(xié)作機器人和工業(yè)精密轉(zhuǎn)臺等方面得到廣泛應(yīng)用。但由于電機和減速器功率密度限制，在合適工作區(qū)間內(nèi)的最大輸出功率密度只能到200～300W/kg，遠沒有達到動物肌肉的500W/kg，這就限制其在雙足仿人機器人上的應(yīng)用。
另外，剛性驅(qū)動器還沒有建立標準檢測方法和性能評價標準。彈性驅(qū)動器經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了許多成果，SEA技術(shù)也在一些產(chǎn)品得到應(yīng)用，如蘇黎世理工的四足機器人ANYmal、美國宇航局的Valkyrie和意大利技術(shù)研究院COMAN等。
但由于彈性體引入,系統(tǒng)為欠驅(qū)動，給控制帶來了難度，尤其在機器人腿部使用，機器人整機的運動控制比較難實現(xiàn)。PEA、CEA和MEA技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的相對較少，PEA很難控制并聯(lián)彈性體的能量吸收和釋放的時機，CEA很好解決串聯(lián)彈性體何時開關(guān)的問題，但增加了輔助控制裝置或機構(gòu)，MEA結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。
準直驅(qū)驅(qū)動器是最近幾年的新興技術(shù)，發(fā)展迅速，并在多款產(chǎn)品中得到應(yīng)用，如麻省理工的Cheetah、宇樹科技的Laikago和云深處科技的絕影等。準直驅(qū)驅(qū)動器設(shè)計的初衷是提高驅(qū)動器的扭矩密度，瞬間響應(yīng)性和抗沖擊能力，同時降低成本，因為只有電機端有位置編碼器，這就面臨機器人斷電了后，驅(qū)動器如何回到機械零位的問題。
2、人形機器人應(yīng)用受限，通信革新或成未來趨勢研究表明，人類步行、疾跑和跳躍等動作腳底與地面沖擊力是自重的3倍以上，雙足仿人機器人若要達到近似人類或動物的運動能力，取決于驅(qū)動器系統(tǒng)相對于自重或負載的驅(qū)動能力，以及在傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的感知和控制下快速響應(yīng)能力。
另外，還要綜合考慮驅(qū)動器的能量效率和緩沖沖擊能力等。新設(shè)計原理方面，仿生學研究，以鴕鳥、鵪鶉和家禽等動物的腿部骨和骼肌肉為仿生對象，研究新的腿部構(gòu)型，根據(jù)構(gòu)型需求進而設(shè)計驅(qū)動器的形式，驅(qū)動器結(jié)合機器人整機設(shè)計、機器人運動控制整體考慮。
現(xiàn)有驅(qū)動器方案研究方面，剛性驅(qū)動器方向雖然在人形機器人應(yīng)用上受到限制，但在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，亟需建立性能指標的檢測方法標準和評價標準，如回差、增速啟動轉(zhuǎn)矩、剛性、絕對精度、重復(fù)定位精度、效率、速度力矩曲線、扭矩力矩曲線、電流力矩曲線等。彈性驅(qū)動器方向，采用的是在PEA基礎(chǔ)上增加離合裝置控制平行彈性體的開關(guān)，這樣可以控制能量的儲存和釋放，提高能量利用率，其關(guān)鍵是離合裝置如何做的簡單和節(jié)能。
此外，彈性驅(qū)動器設(shè)計不能只停留在本身的整合設(shè)計，要結(jié)合機器人整機結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動器設(shè)計、運動學和被動動力學對機器人做系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計，讓機器人整體性能達到最優(yōu)。準直驅(qū)驅(qū)動器方向，需要進一步研究單編碼器驅(qū)動器回零點問題，研究絕對編碼器如何取消后備電池，或延長電池的使用壽命，同時考慮改善設(shè)計和工藝，提高電機的功率密度，這兩點問題解決了，準直驅(qū)驅(qū)動器就不限于只用于四足機器人，也可以應(yīng)用于雙足仿人機器人和其他領(lǐng)域。
驅(qū)動器通信方面，通信方式隨著5G、互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動器可以無線與機器人上位機或云端總控相互通信，解決機器人內(nèi)部走線復(fù)雜，線材易磨損問題，同時可以檢測和監(jiān)控驅(qū)動器的實時狀態(tài)，計算與通信的集成化技術(shù)為驅(qū)動器智能化提供了各種可能。
04.結(jié)語：驅(qū)動器性能無法類比肌肉準直驅(qū)驅(qū)動器或成主攻方向
隨著中國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，服務(wù)機器人必有廣闊的應(yīng)用前景，雙足仿人機器人是服務(wù)機器人重要的組成部分，由于其類人的外形，更容易被人類接受。
本文對雙足仿人機器人驅(qū)動器的歷史、關(guān)鍵性能指標進行闡述，介紹了剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器、準直驅(qū)驅(qū)動器的發(fā)展現(xiàn)狀，比較了各自特點，說明目前驅(qū)動器的性能還遠沒有達到生物肌肉的水平，因此雙足仿人機器人的運動能力也沒有達到人類或動物的程度。
此外，文章中還指出了驅(qū)動器下一步的發(fā)展方向，以雙足動物為參考的仿生腿部機構(gòu)研究，將進一步推動和機器人整機高度結(jié)合新驅(qū)動器構(gòu)型的出現(xiàn)。
現(xiàn)有驅(qū)動器方案方面，如果電機和減速器性能沒有大幅提升的情況下，在雙足仿人機器人領(lǐng)域剛性驅(qū)動器將會逐步被取代；彈性驅(qū)動器需要在功率密度、能量效率、結(jié)構(gòu)布局等指標間平衡，結(jié)合機器人整機結(jié)構(gòu)布局、運動步態(tài)控制算法做整合優(yōu)化是下一步研究方向；準直驅(qū)驅(qū)動器技術(shù)發(fā)展迅速，編碼器技術(shù)創(chuàng)新和電機功率密度上突破，是將來主攻方向。
另外，驅(qū)動器通信技術(shù)革新也是一個發(fā)展趨勢?，F(xiàn)在，優(yōu)必選科技、宇樹科技、銀弗科技等也開始攻克伺服驅(qū)動器的難題。關(guān)鍵核心技術(shù)等不來、靠不來、買不來，需要腳踏實地研發(fā)、持之以恒投入，來不得半點僥幸。