基于无框力矩电机抱闸实现人形机器人在展会中不依赖悬吊(补充版)

devtools/2024/12/23 2:29:35/

目录:

1 人形机器人在展会中的悬吊状态

2 人形机器人不能长时间站立的原因

3 基于电机抱闸使人形机器长时间站立

4 人形机器人在展会上的高级动作(新增内容)

5 人形机器人在实用场景中必须长时间站立、快速进行 “静-动” 互换

6 人形机器人在实用场景中实现 “静-动” 快速互换的抱闸控制思路

7 无框力矩电机通常不提供抱闸装置

8 在无框力矩电机上添加抱闸装置的参考结构

9 结论

注:本文是对以下三篇文档
林伟:人形机器人在展会中保持静止姿态、不依赖悬吊的方法 (2024年7月)
林伟:人形机器人在展会中保持静止姿态、不依赖悬吊的方法(续)(2024年10月)
林伟:关于在人形机器人所用无框力矩电机中增加抱闸装置的一些思考(2024年10月)
的精简、整合、补充,以便于将其技术思想在业内推广
本文基于此前的文档
基于无框力矩电机抱闸实现人形机器人在展会中不依赖悬吊-CSDN博客
已读上述文档的朋友请仅阅读本文第4节。

正文:

1 人形机器人在展会中的悬吊状态

人形机器人展会上,静止摆放的各个展品都处于悬吊状态(在头顶或肩部用吊钩吊起来),不能自主长时间站立,因而被观众诟病。

(不放图了,请自行上网检索)

2 人形机器人不能长时间站立的原因

据笔者了解,这样做主要基于以下考虑(欢迎专业人士批评指正):

人形机器人各关节位置的伺服电机,在转子静止的状态下,定子磁场为了对转子磁场产生足够的作用力以锁定转子,需要给线圈加载很大的电流,从而使功耗剧增,导致机器人内置的电池不足以支持几个小时的站姿。

3 基于电机抱闸使人形机器长时间站立

知乎文章 林伟:在实用化人形机器人控制系统中深入应用FPGA的框架设计(基于特斯拉Optimus-Gen2的硬件系统) 第3.5.2节述及:

控制通道中应提供电机抱闸功能。即,各电机控制通道的位置环检测到电机转动到了设定的角度之后,向电机发出抱闸信号,使电机轴稳固锁定在当前角度,确保人形机器人在不需要运动的时段内不动如山。
同时,由于电机转子角度的稳固不依赖于定子线圈产生的电磁力,定子线圈就可以断电,从而不再导致巨大的功耗、快速用尽电池的续航时间。

上述文章第3.1.1节的图2中,位于电机右上角的斜向控制线(用红色圆圈标记)就是抱闸控制信号线:

深入应用FPGA的人形机器人控制系统框图(建议下载到PC观看)

执行这个方案,必将面临一个现实的问题:

人形机器人在展会上时刻处于 “协作” 工况,在被 “非预期侵入” 邻近空间的观众接触的过程中,可能会受到推、挤、靠而歪倒,从而砸到周边的人类个体、把自己摔坏。

应对的思路是:

在人形机器人的脚底加个隐藏的、可以锁定大厅地基的机构(考虑在地基上预埋膨胀螺丝),或者将其脚底固定在(甚至粘在)可拆卸的底座上,扩大其支撑范围,这样TA就不会被与之互动的观众的无心之失(或者恶作剧)给弄倒了。

以上两个措施相结合,就能充分解决人形机器人在展会上的长时间、低功耗站立问题。

4 人形机器人在展会上的高级动作

为了在展会上区别于人形机器人模型(就整一壳子摆在那里让人看),向采用本文所述技术方案的参展厂商提出建议:

在确保人形机器人的动作不伤害围观群众(例如采用类似协作工业机器人的力控措施 -- 参见 韩峰涛:让机器人更安全(二)- 协作机器人的兴起)的前提下,令其偶尔做一些简单、能体现各个关节 “正在活动” 的动作,包括但不限于:

招手、脱帽致意、邀请进入、推眼镜、思考(效颦一休哥)、捂嘴+弯腰、花枝乱颤辅之以咯咯娇笑(“多媒体”人形机器人)、各种卖萌(捂脸害羞扭动腰肢等) ............

其间,需要踝部及以上的各个关节电机协同动作,从而在脚底不能移动的前提下确保各肢节重力矩的基本平衡

倘若如此,今后的人形机器人展会,将能更好地体现人形机器人的“拟人性”带来的优势,从而取悦观众、触发舆论热议,为加速人形机器人的实用化进程而汇集更多资源。

进阶模式1:

如果参展厂商以往在宣传视频上展示过的基于人工智能(包括但不限于大模型)技术实现的各种实用化操作(例如给顾客倒水)在展会这种非结构化场景中的成功率已经足够高,就可以将这些动作与人形机器人的持久站立能力(即使还不能基于本文第5、6节所述思路而实现快速“静-动”互换、应对突发情况)相结合,以实现与展会观众的近距离有效互动,则必将在众多参展友商中脱颖而出

进阶模式2:

如果参展厂商能实现基于大模型的现场语音交流(必须实现大模型的低延迟推理,请参阅:人形机器人何时会使用端到端大模型进行动作控制?),再将交流内容与上述简单的致意、搞笑等动作相结,其宣传效果必将更为出色。

5 人形机器人在实用场景中必须长时间站立、快速进行 “静-动” 互换

在人形机器人的实用化应用场景中,例如室内家政服务(参考文档:林伟:室联人形机器人:家政服务任务结构化、技术要点、深入应用FPGA的控制系统框架设计(整合版) ),人形机器人肯定会有大量的闲暇时段,其中也包括随时等待服务对象召唤的时段。

在这些时段内,人形机器人最普通的姿态就是站立,即,处于与展会展示场景下相同的姿势。

另外,在人形机器人工作过程中,肯定也存在需要长时间(包括多个时段的累积,下同)保持躯干近似直立的情况,例如,炒菜,整理桌面,给老人喂饭,怀抱一个宝宝。

在这些常见的应用场景下,人形机器人实现长时间站立,同样属于刚需。

也就是说,只要考虑实用化应用场景,以较低的功耗长时间保持站立姿态,就是人形机器人必须提供的功能。

对此,本文第3节所述方法是目前已知最实用的一个。

进而,在实用化应用场景中,人形机器人必须快速在 “静止站立、运动” 两种状态之间实现切换,静如处子以确保低功耗待机,动如脱兔以应对突发情况

极端场景举例:

渊渟岳峙之际一个箭步冲向正在从远处椅子上掉落的宝宝;
海底捞月接住宝宝之后迅速稳如泰山。

所以,在实用化应用场景中,如果采用本文第3节所述基于电机抱闸的方法(当然其脚底不能再固定于地面了),就必须考虑:

在多个电机精准协同(这种协同必须基于感知--运算--控制而非基于示教)的 “抱闸+线圈断电”、“松闸+线圈通电” 两组操作之间进行 强实时性(低延迟量+低延迟抖动量,下同)的互相切换。

当然,如果实现了这种反应速度的动作切换,第4节所述的在展会上的动作,就可以解锁双足、自由行动了。

6 人形机器人在实用场景中实现 “静-动” 快速互换的抱闸控制思路

对于应对上述多电机协同控制需求的思路,本节内容在笔者所写技术文档(林伟:在实用化人形机器人控制系统中深入应用FPGA的框架设计(基于特斯拉Optimus-Gen2的硬件系统))的第3.5.2节中已经做了介绍:

在解除抱闸、由静到动的过渡瞬间,大概率不可以一股脑地开闸、加载PWM波形了事。如何精微管控52次(注:包括了特斯拉Optimus-Gen2机器人的30个无框力矩电机、22个空心杯电机)解除抱闸与52次启动电机之间的时序关系(即使只有1个电机也存在两种操作时序关系的优化问题),如何设计电机启动过程中的反馈控制微操细节,以实现人形机器人动作启动过程的安全、平稳、平滑,实现被服务人类个体视觉、体感乃至听觉的舒适,有可能成为(或者,已经成为) 友商之间比拼性能的重要着力点之一

事实上,在由动到静、施加抱闸的过渡瞬间,也存在类似的现实需求,不再赘述。

这种在上层建模(注:这里指的是针对人形机器人本体、工作环境、任务对象的强实时性的建模)、(强实时性的)模型分析、(强实时性的)运动规划算法的指挥下实现精准的多点时序控制、精微的反馈控制过程优化,正是 FPGA的用武之地

相关框架设计的详情,请参阅上述技术文档。

基于这一框架研发人形机器人样机的工作流程及重要关联事项,请参阅文档:

林伟:在实用化人形机器人研发流程中深入应用FPGA技术的流程图(版本A)(基于工信部《人形机器人创新发展指导意见》)

7 无框力矩电机通常不提供抱闸装置

虽然很多常规伺服电机都提供抱闸装置,但是,对于在人形机器人支撑结构中对抗重力常用的无框力矩电机来说,笔者了解了两家业内知名公司的产品,都没有提供抱闸装置。

这一情况也容易理解,人形机器人内部空间紧张,无框力矩电机的主打优势之一就是结构紧凑、节省空间,为实现这一目标而省去抱闸装置,是合情合理的。

但是,如果采用本文第3节所述的方案、进而考虑应对第4节所述的需求,则无框力矩电机必须提供抱闸装置。

8 在无框力矩电机上添加抱闸装置的参考结构

无框力矩电机在结构上没有中轴,并不适合直接添加在常规伺服电机中以 “抱紧转子中轴” 为特征的抱闸装置。

在此提供一个以 “抱紧转子边框” 为特征的参考结构(截图自中科大博士陈赛旋于2018年完成的毕业论文《协作机器人零力控制与碰撞检测技术研究》):

图中的“制动器”可以实现与抱闸装置类似的功能。

9 结论

为了解决人形机器人在展会上长时间、低功耗自主站立的问题,在无框力矩电机中添加抱闸装置是一个有效的思路。

在中、远期的实用化应用场景(例如室内家政服务)中,这一思路也有其关键性的实用价值。

从实施方法的角度看,在无框力矩电机中添加抱闸装置,在结构上已有成熟的参考设计;在多电机协同的 “静-动” 实时互换控制方面,也已有可供选择的技术路径。

期待本文所述思路最先在今后的展会展示中发挥作用。


http://www.ppmy.cn/devtools/144131.html

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