PAL Robotics磁編碼器連接機器人“手腦”，實現機器人雙足平衡的精確實時控制

PAL Robotics磁編碼器連接機器人“手腦”，實現機器人雙足平衡的精確實時控制

此案例介紹了PAL Robotics研發的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公司希望創造的未來生活。這家創新型公司坐落在巴塞羅那老城區的核心位置，距離世界聞名的蘭布拉大道步行街僅數步之遙。 PAL Robotics是機器人行業的領先者，在他們繁忙熙攘的辦公區內，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

PAL Robotics首席技術官Luca Marchionni（左圖）指出，最大的挑戰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境的接觸，以及多種自由度下身體各個部分的并發配合運動。雙足機器人的控制系統必須處理兩個階段之間的轉換，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行走控制，而且通常也無法通過實時狀態分析方法實現控制，因為其中的試錯過程過于復雜。相反，業內普遍采用一種稱為“軌跡優化”的數值方法，即預先規定機器人的“理想行走路徑”，然后使用此數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來確定，此函數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，能夠根據任務要求完成一系列復雜的運動。要對各關節的扭矩、速度和位置進行伺服控制，需要用到高質量的編碼器反饋數據。

在對PAL Robotics的各種業務需求和產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公司RLS生產的非接觸式磁編碼器，包括集成到膝部（左圖）、腕部和肘部的AksIM?和Orbis?旋轉編碼器，以及元件級增量式RoLin?編碼器。

為實現平衡控制，機器人的每只足底均裝有一套反饋力測量系統，該系統可計算出零力矩點 (ZMP) — 用于評估REEM-C人型機器人穩定性的指標。測得的ZMP隨后被傳輸到“模糊邏輯”PD控制器，用以追蹤所需的ZMP，從而實現運動平衡并防止傾翻。PD控制器的目標是調整機器人的質心 (CoM) 位置，以便將ZMP保持在支撐區域內（即足底與地面的接觸面內）。要成功實現雙足動態行走，需要精確控制機器人腿部關節的角度（包括位置、速度和加速度等運動參數），這一切都離不開旋轉編碼器的精確反饋。

結果

平衡控制對于確保雙足機器人穩定運動而言至關重要，借助編碼器輸出的數據，機器人的“大腦”可計算出當前的身體姿態，并不斷向每個關節發出新指令（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，可令設計師盡情發揮創意與才能。通過調節作用于每個關節上的瞬時扭矩來確保機器人的四肢始終處于正確位置，以此實現平衡控制和穩定行走。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節機器人的身體位置，從而使ZMP始終保持在機器人的足部支撐區域內。