丁宏鈺，石照耀，岳會軍，于渤，張攀

(1.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院 北京市精密測控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心, 北京 100124; 2.深圳市優(yōu)必選科技股份有限公司深圳研究院, 廣東 深圳 518035)

雙足人形機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠上的明珠”，機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動器是雙足人形機(jī)器人關(guān)鍵部件，按動力來源可以分為液壓、氣動、電機(jī)驅(qū)動、記憶金屬、生物類(心肌細(xì)胞)等，這里只討論電機(jī)驅(qū)動的驅(qū)動器。本文中驅(qū)動器指由電機(jī)、減速器、編碼器、控制板和控制軟件等組成的機(jī)器人關(guān)節(jié)模組。

雙足人形機(jī)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。期望其接近甚至達(dá)到人類的運(yùn)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都遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到人或動物的運(yùn)動性能。雙足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)特點(diǎn)和人類類似，如運(yùn)動速度快，機(jī)動性能好，步幅和步頻變化，能量新陳代謝變化，離散著地點(diǎn)，高速碰撞等。這些運(yùn)動特點(diǎn)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(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述，綜合比較3種驅(qū)動器技術(shù)，分析當(dāng)前遇到的問題，提出了下一步的發(fā)展趨勢。

1 驅(qū)動器起源與歷史

1971年，早稻田大學(xué)加藤一郎教授成功研制出世界上第1臺三維雙足機(jī)器人WAP-3,并實(shí)現(xiàn)靜步行走，揭開了雙足人形機(jī)器人研制的序幕[1]。

雙足人形機(jī)器人相對于傳統(tǒng)輪式和履帶式機(jī)器人有許多突出的特點(diǎn)，如雙足人形機(jī)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，這些特點(diǎn)對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動器有很高的要求。

雙足人形機(jī)器人驅(qū)動器的研究已有30多年的歷史，其類型和歷史如圖1所示，其中有3個關(guān)鍵事件：

圖1 驅(qū)動器類型和歷史

1)1983年，早稻田大學(xué)研究的WL-10R機(jī)器人使用剛性驅(qū)動器TSA(traditional stiffness actuator)[2]。自此雙足人形機(jī)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(xué)院的Pratt等提出了彈性驅(qū)動器SEA(series elastic actuator)的概念[3]，拉開了彈性驅(qū)動器研究的序幕。美國宇航局的機(jī)器人Valkyrie和意大利技術(shù)研究院的機(jī)器人Walk-Man都使用了彈性驅(qū)動器。

3)2016年，Wensing等[4]提出了準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器PA(proprioceptive actuator)的概念,并將其應(yīng)用于四足機(jī)器人Cheetah和雙足機(jī)器人Hermes，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器成為最近幾年研究的熱點(diǎn)。

2 驅(qū)動器研究現(xiàn)狀

過去30多年驅(qū)動器技術(shù)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下幾方面：1)驅(qū)動器和整機(jī)關(guān)系方面，經(jīng)歷了驅(qū)動器獨(dú)立設(shè)計(jì)到和整機(jī)融合的發(fā)展。2)整體設(shè)計(jì)方面，經(jīng)歷了剛性驅(qū)動器到彈性驅(qū)動器和準(zhǔn)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改變。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改變。

2.1 剛性驅(qū)動器

剛性驅(qū)動器主要由電機(jī)、高傳動比減速器、編碼器、力矩傳感器和控制板等組成，力矩傳感器是可選擇項(xiàng)。

整體設(shè)計(jì)方面，Sebastian 等[5]為機(jī)器人LOLA設(shè)計(jì)了驅(qū)動器，如圖2所示，包括無刷電機(jī)、諧波減速器、絕對編碼器和增量編碼器等。Iribe等[6]為SDR 機(jī)器人開發(fā)了驅(qū)動器，此驅(qū)動器包括內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)和精密減速器，它的特點(diǎn)是具有高反驅(qū)動能力。為方便設(shè)計(jì)布局和裝拆，Park等[7]提出了驅(qū)動器模塊化設(shè)計(jì)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Dybnamixel 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(jì)都使用了絕對式編碼器，因?yàn)橥ǔC(jī)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

圖2 剛性驅(qū)動器

優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，Huber等[18]提出了一種基于執(zhí)行器的性能特征選擇最適合給定任務(wù)的執(zhí)行器類型的方法。Van de Straete等[19]提出了一種驅(qū)動器設(shè)計(jì)方法，將設(shè)計(jì)分為可行性和優(yōu)化階段。為伺服驅(qū)動系器統(tǒng)提供了快速，自動化的設(shè)計(jì)程序，同時(shí)可用圖表顯示結(jié)果。Roos等[20-24]就減速器傳動比對驅(qū)動器性能影響、伺服電機(jī)和減速器集成優(yōu)化、機(jī)械和控制整合設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。Vaculik等[25]研究了驅(qū)動器的設(shè)計(jì)流程，建立電機(jī)和減速器參數(shù)模型。為了平衡電機(jī)和減速器參數(shù)，Zhou等[26]開發(fā)了由MSC.ADAMS動力學(xué)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(jī)和減速器不同組合實(shí)現(xiàn)五軸機(jī)械臂的重量輕量化。Budinger等[27]建立了基于模型的機(jī)電執(zhí)行器初步設(shè)計(jì)的估算模型。Rezazadeh等[28]研究了機(jī)器人系統(tǒng)中一般負(fù)載下驅(qū)動器電動機(jī)和傳動裝置的機(jī)電選擇優(yōu)化解決方案。Saerens等[29]針對機(jī)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(jì)方面已經(jīng)較難有創(chuàng)新，更多研究集中在電機(jī)和減速器整體優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)到生物肌肉的水平500 W/kg，同時(shí)也解決不了機(jī)器人受外部沖擊時(shí)零部件強(qiáng)度問題，繼而彈性驅(qū)動器應(yīng)運(yùn)而生。

2.2 彈性驅(qū)動器

使用TSA的機(jī)器人在行走、奔跑、跳躍等運(yùn)動能力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到人類和動物的水平，而人類和動物實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動能力是依靠肌肉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。動物利用剛?cè)岵?jì)的肌肉骨骼系統(tǒng)在運(yùn)動過程中儲存和釋放能量，調(diào)節(jié)能量在時(shí)間和功率密度上的不匹配，提高關(guān)節(jié)瞬時(shí)爆發(fā)力，高效循環(huán)利用能量，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)落地緩沖。為此科研人員研究各種自適應(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Hill肌肉三元素力學(xué)模型[30]。如圖3所示，其中 CE(contractile element)是肌肉收縮單元，SE(series element)是串聯(lián)彈性單元，PE(parallel element)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。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4(e)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(shí)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)。剛性驅(qū)動器、串聯(lián)彈性驅(qū)動器、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。

圖3 Hill肌肉力模型

圖4 彈性驅(qū)動器類型

2.2.1 串聯(lián)彈性驅(qū)動器

串聯(lián)驅(qū)動器是在驅(qū)動元件和負(fù)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(xué)院的Pratt等[32]提出了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(jī)器人上應(yīng)用研究[33-35]。

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(jì)、控制和應(yīng)用上。Vanderborght等[36]研究了機(jī)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(dú)立地控制，并且兩者均由專用伺服電機(jī)設(shè)定。Sariyildiz等[37]研究了新型SEA的運(yùn)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(shí)現(xiàn)可變剛度的SEA，以便減少常規(guī)SEA的基本性能限制。Haddadin等[38]通過優(yōu)化控制，實(shí)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，超過理論電機(jī)輸出能力。為解決救災(zāi)機(jī)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(jì)了新型的彈性驅(qū)動器[39-40]，該驅(qū)動器應(yīng)用于WALK-MAN機(jī)器人手臂，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了負(fù)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(jī)器人觸地沖擊和緩解外部碰撞沖擊的作用，同時(shí)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)，因此運(yùn)動控制精度較低。

2.2.2 并聯(lián)彈性驅(qū)動器

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，共同作用于被驅(qū)動對象，是通過控制驅(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[41]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[42]通過數(shù)學(xué)建模證明，在機(jī)器人關(guān)節(jié)存在時(shí)間延遲的情況下，PEA可以提高穩(wěn)定性和魯棒性。同時(shí)設(shè)計(jì)2個具有PEA的2自由度肌腱驅(qū)動手指，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)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(jī)器人手中引入PEA具有優(yōu)勢。

Brown等[43]在機(jī)械臂中加入平行彈簧元件，加了設(shè)計(jì)合理的彈簧可以將電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩降低約50%，并將能耗降低25%。Borras等[44]在 Stewart 并聯(lián)機(jī)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(dāng)并聯(lián)機(jī)器人受特定力，例如重物壓在平臺上時(shí)，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(shí)現(xiàn)了小功率電機(jī)驅(qū)動大載荷。Mazumdar等[45]研究雙足機(jī)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。Toxiri等[46]將PEA應(yīng)用于上肢外骨骼機(jī)器人，相對于不增加平行彈性元件的設(shè)計(jì)明顯減少對電機(jī)力矩的需求，同時(shí)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(shí)現(xiàn)能量存儲和釋放的作用，相對傳統(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。存在的問題是配合機(jī)器人運(yùn)動，如何最大化地實(shí)現(xiàn)能力儲存和釋放。

2.2.3 離合彈性驅(qū)動器

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[47]介紹了CEA初始原型機(jī)的設(shè)計(jì)和控制，原型機(jī)包括直流電機(jī)、彈簧和低成本的電子離合器，模仿人體反彈任務(wù)中膝部伸肌的扭矩和運(yùn)動模式，實(shí)驗(yàn)表明原型機(jī)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(jī)的峰值扭矩需求降低了約66%。Plooij等[48]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(jì)，驗(yàn)證了通過控制離合在時(shí)間和方向上加載和卸載，并行彈簧可以減少機(jī)器人的能耗，具體設(shè)計(jì)如圖7所示。另外，Plooij等[49]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(xué)方法。Penzlin等[50]把CEA設(shè)計(jì)用于外骨骼機(jī)器人，通過非線性模型建立、樣機(jī)制作和試驗(yàn)，證明CEA可以提高外骨骼設(shè)計(jì)的效率。DeBoon等[51]研究CEA在康復(fù)外骨骼機(jī)器人上的應(yīng)用，驅(qū)動器包括直流電機(jī)、扭簧和磁粉制動器，提出自由運(yùn)動、彈性運(yùn)動和輔助阻抗運(yùn)動3種制動模式。

圖7 離合驅(qū)動器

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，具體的應(yīng)用領(lǐng)域可以靈活地設(shè)置彈性元件和離合機(jī)構(gòu)的形式，此領(lǐng)域是目前研究的熱點(diǎn)。

2.2.4 多模態(tài)彈性驅(qū)動器

針對單一驅(qū)動器不能滿足機(jī)器人瞬時(shí)高輸出扭矩、能量效率和抗沖擊能力的問題，提出了多模態(tài)彈性驅(qū)動器的概念。

Mathijssen等[52]研究串并聯(lián)驅(qū)動器SPEA，平行彈性元件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(jī)并聯(lián)的間歇機(jī)構(gòu)。結(jié)果表明該裝置可以降低電動機(jī)扭矩要求，減小電動機(jī)的尺寸，提高效率。Geeroms等[53]設(shè)計(jì)一種多模態(tài)驅(qū)動器應(yīng)用于假肢，同時(shí)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(yùn)動軌跡和健康膝關(guān)節(jié)更接近。Roozing等[54]基于三自由度腿部機(jī)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(jī)如圖8所示，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，可以很好地實(shí)現(xiàn)儲能和節(jié)能。但整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)建模和控制也變得復(fù)雜。

2.3 準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器

準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器含義是依靠驅(qū)動器電機(jī)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(jī)器人腳部和外界的交互力，也被稱為本體驅(qū)動器。當(dāng)然，最理想的是電機(jī)直接驅(qū)動，但受限于電機(jī)工藝和技術(shù)，電機(jī)直驅(qū)驅(qū)動器的扭矩密度不能滿足機(jī)器人應(yīng)用的需求，因此，折中采用電機(jī)加低傳動比減速器的方案，同時(shí)要求負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量盡可能地小，這樣可以實(shí)現(xiàn)高帶寬力控和良好的抗沖擊能力。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器主要由高扭矩密度電機(jī)、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(jì)方面，Wensing等設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器使用內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，減速器是傳動比是5.8的精密行星減速器，如圖9所示。Katz等[55]設(shè)計(jì)了改進(jìn)版的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器，并搭建了四足機(jī)器人Cheetah和雙足機(jī)器人Hermes，進(jìn)行了測試。如圖10所示，電機(jī)是外轉(zhuǎn)子力矩電機(jī)，由于直徑增加，電機(jī)力矩和半徑是平方關(guān)系，扭矩密度遠(yuǎn)高于內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，傳動比為6的行星減速器內(nèi)嵌到電機(jī)內(nèi)部，軸向尺寸緊湊。整個驅(qū)動器的扭矩密度35.4 N·m/kg，功率密度達(dá)到1 416 W/kg，超過了肌肉的功率密度500 W/kg[56]。王興興等[57]提出了一種新的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器結(jié)構(gòu)，在電機(jī)基座和內(nèi)齒圈間增加了離合結(jié)構(gòu)，當(dāng)外界負(fù)載沖擊力即將超過減速器零件極限時(shí)，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(hù)減速器不損傷,結(jié)構(gòu)如圖11所示。另外，在驅(qū)動器的電機(jī)端和輸出端都設(shè)置了位置編碼器，電機(jī)軸采用中空結(jié)構(gòu)。閆巡戈等[58]提出了一種緊湊型準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器，把四點(diǎn)角接觸軸承的滾道直接設(shè)置在行星減速器的機(jī)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9 準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器

圖10 改進(jìn)版準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器

圖11 帶離合功能的準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器

圖12 緊湊型準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器

位置檢測方面，Wensing和Katz的設(shè)計(jì)都只在電機(jī)端設(shè)置了位置編碼器，這就面臨著機(jī)器人斷電后回零位時(shí)，關(guān)節(jié)驅(qū)動器要到固定的角度，才能找到零位。王興興設(shè)計(jì)的雙編碼器方案，機(jī)器人在任意位置都可以回到初始零位。為解決單編碼器回零位問題，崔昊天等[59]提出了一種新型多圈絕對值編碼器，由單圈絕對編碼器、非易失性存儲器、霍爾傳感器、磁鐵等組合，實(shí)現(xiàn)了多圈絕對值編碼器的功能。但需要定期更換為記憶模塊供電的電池。

由上述分析可知準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器具有功率密度高，力控帶寬大，抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前采用單編碼器方案的情況下還沒有很好的辦法解決機(jī)器人斷電后驅(qū)動器回零位的問題。

2.4 3種驅(qū)動器比較

綜合以上對剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器和準(zhǔn)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(diǎn)、功率特點(diǎn)、能量特點(diǎn)、安全性和應(yīng)用場景等進(jìn)行比較。

如表2所示，結(jié)構(gòu)布局方面，TSA是常規(guī)無刷電機(jī)驅(qū)動高傳動比減速器，直接帶動輸出端，有些設(shè)計(jì)在電機(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)，CEA是SEA或PEA的基礎(chǔ)上增加彈性體開關(guān)機(jī)構(gòu)，MEA上PEA、SEA和CEA的組合；準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器是高扭矩密度電機(jī)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(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器是應(yīng)用電流環(huán)檢測?？刂品矫?，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(zhǔn)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(zhǔn)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(hù)安全性好，PEA安全性一般，CEA較差；準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器由于具有反驅(qū)特性，安全性好。

表2 各類伺服驅(qū)動器特性比較

3 驅(qū)動器技術(shù)難點(diǎn)和發(fā)展趨勢

雙足人形機(jī)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(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器的過程。但目前雙足人形機(jī)器人的運(yùn)動性能還遠(yuǎn)沒有達(dá)到人類和動物的水平，驅(qū)動器技術(shù)還有一些難點(diǎn)需要克服，下一步的發(fā)展方向需要深入討論。

3.1 驅(qū)動器技術(shù)難點(diǎn)

剛性驅(qū)動器應(yīng)用在雙足人形機(jī)器人最早，設(shè)計(jì)理論也相對成熟，在傳統(tǒng)的雙足機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人、協(xié)作機(jī)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(jī)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200～300 W/kg，遠(yuǎn)沒有達(dá)到動物肌肉的500 W/kg，這就限制其在雙足人形機(jī)器人上的應(yīng)用。另外，剛性驅(qū)動器還沒有建立標(biāo)準(zhǔn)檢測方法和性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

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(jī)器人ANYmal[60]、美國宇航局的Valkyrie[61]和意大利技術(shù)研究院COMAN[62]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(jī)器人腿部使用，機(jī)器人整機(jī)的運(yùn)動控制比較難實(shí)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(shí)機(jī)，CEA很好地解決串聯(lián)彈性體何時(shí)開關(guān)的問題，但增加了輔助控制裝置或機(jī)構(gòu)，MEA結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。

準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器是最近幾年新興技術(shù)，發(fā)展迅速，并在多了產(chǎn)品得到應(yīng)用，如麻省理工的Cheetah、宇樹科技的Laikago、云深處科技的絕影等。設(shè)計(jì)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(shí)降低成本，因?yàn)橹挥须姍C(jī)端有位置編碼器，這就面臨機(jī)器人斷電了后，驅(qū)動器如何回到機(jī)械零位的問題。

3.2 驅(qū)動器的發(fā)展趨勢

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[63]，雙足人形機(jī)器人若要達(dá)到近似人類或動物的運(yùn)動能力，取決于驅(qū)動器系統(tǒng)相對于自重或負(fù)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(jì)原理方面，仿生學(xué)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(jìn)而設(shè)計(jì)驅(qū)動器的形式，驅(qū)動器結(jié)合機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)器人運(yùn)動控制整體考慮[64]。

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(jī)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(biāo)的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，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，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，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(jì)不能只停留在本身的整合設(shè)計(jì)，要結(jié)合機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動器設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)和被動動力學(xué)對機(jī)器人做系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓機(jī)器人整體性能最優(yōu)。準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器方向，需要進(jìn)一步研究單編碼器驅(qū)動器回零點(diǎn)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(shí)考慮改善設(shè)計(jì)和工藝，提高電機(jī)的功率密度，這兩點(diǎn)問題解決了，準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器就不限于只用于四足器人，也可以應(yīng)用于雙足人形機(jī)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(jī)器人上位機(jī)或云端總控相互通信，解決機(jī)器人內(nèi)部走線復(fù)雜，線材易磨損問題，同時(shí)可以檢測和監(jiān)控驅(qū)動器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4 結(jié)論

隨著中國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，服務(wù)機(jī)器人必有廣闊的應(yīng)用前景，雙足人形機(jī)器人是服務(wù)機(jī)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。

本文對雙足人形機(jī)器人驅(qū)動器的歷史、關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行闡述，介紹了剛性驅(qū)動器、彈性驅(qū)動器、準(zhǔn)直驅(qū)驅(qū)動器的發(fā)展現(xiàn)狀，比較了各自特點(diǎn)，說明目前驅(qū)動器的性能還遠(yuǎn)沒有達(dá)到生物肌肉的水平，因此雙足人形機(jī)器人的運(yùn)動能力也沒有達(dá)到人類或動物的程度。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(jī)構(gòu)研究，推動和機(jī)器人整機(jī)高度結(jié)合新驅(qū)動器構(gòu)型的出現(xiàn)?，F(xiàn)有驅(qū)動器方案方面，如果電機(jī)和減速器性能沒有大幅提升的情況下，在雙足人形機(jī)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(biāo)間平衡，結(jié)合機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)布局、運(yùn)動步態(tài)控制算法做整合優(yōu)化是下一步研究方向；準(zhǔn)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(jī)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。