2018 IROS，这款来自韩国的双臂机器人不容小觑！

来源 | 知乎

作者 | 任赜宇

这篇文章给大家简要介绍一下今年作者在IROS(2018@Madrid)上看到一款很亮眼的来自韩国KoreaTech的双臂机器人LIMS2-AMBIDEX，主要是谈谈其：

• 集成于肩关节的低惯量(low-inertial)的驱动器排布方案
• 整体的基于线驱动(tendon-driven)传动设计方案
• 基于以上硬件设计方案带来的高速响应的操作性能Demo

▌LIMS2-AMBIDEX机器人简介

LIMS2-AMBIDEX是来自韩国KoreaTech (Korea University of Technology and Education)特意为IROS 2018 Robotic Challenges所设计的双臂机器人。其每只手臂具有7自由度(DoF)，为了减轻机械臂末端执行器惯量，7个自由度相应的驱动器都排布在了肩关节上，并采用线驱动传动方案。做到了肩部关节以下2.63kg的极轻质量设计，确保了极高速度下双臂操作的安全性和精确性。

▌简介手臂自由度和整体尺寸介绍

                                   LIMS2-AMBIDEX的整体尺寸和关节自由度排布

自由度：

 

单臂7自由度，以右臂为例：3-1-3排布（肩关节-肘关节-手腕关节）。注意为耦合关节，实际表征为手肘关节的pitch； 也为耦合关节，实际表征为手腕关节的pitch+roll自由度。这两个较为特殊的耦合关节在下文具体的线驱动实现中将会展示到。（ 为加装的末端执行器额外的1自由度）

质量：

单臂[6.8] = 肩关节[4.17] + 肩关节以下[2.63], 单位kg;

肩关节以下[2.63]≈ 手腕[0.466] + 前臂[0.171] + 手肘[0.533] + 上臂 [1.478], 单位kg。

关节速度：

肩关节roll+pitch: 8.71 rad/s

肩关节yaw: 13.07 rad/s

手肘关节pitch: 10.29 rad/s

手腕关节roll+pitch: 20.58 rad/s

手腕关节yaw: 28.52 rad/s

 

▌关节驱动器排布介绍

简而言之，与7自由度相对应的7个驱动器全部排布于肩关节，如下图：

                                                             Shoulder mechanisms

图(a)：俯视图，注意预留直径30mm的圆孔提供给电路走线；

图(b): 前视图

图(c)：具体数量为7的驱动器排布。橙红黄区域分别为肩关节的pitch+roll+yaw的3个驱动器，蓝色区域则集成了手肘和手腕关节的4个驱动器。每个驱动器集成一个低减速比的(10：1)、低背隙的行星齿轮箱(low-backlash planetary gearhead)，线驱动方案的绞盘(capstan-drive)还能在不额外增加背隙和摩擦力的情况下提供一定的减速比。

 

▌线驱动传动结构介绍

这里主要是针对于线驱动在手肘关节和手腕关节的具体机械结构实现，也是上文提到的具有自由度耦合的关节。

手肘(Elbow)：

                                                   Elbow mechanism

手肘关节只具备一个pitch方向的自由度(one-DoF rolling mechanism)。上图相互耦合的粉红色和橙色金属线是为了确保两金属环的纯滚动(pure rolling)。负责手肘闭合的金属线(上部绿色线)和手肘张开的金属线(下部绿色线)均连接在相应置于肩关节的驱动器输出轴上(Shoulder mechanism图的蓝色区域)。

我们可以观察到绿色的金属线在相应的滑轮上缠绕了较多圈数，这样的设计是为了放大相应的关节扭矩(圈数倍)和刚度(圈数的二次倍)，以得到更佳位控/力控的性能。

最后，红色的金属线呈现与手肘关节去耦合(考虑手肘处俩滚动关节的距离不发生改变)的状态，通过手肘关节并将连接于手腕关节，负责手腕关节三自由度的驱动。

这部分具体的解读可参考如下文章：

Y-J. Kim, “Anthropomorphic Low-Inertia High-Stiffness Manipulator for High-Speed Safe Interaction,” IEEE Trans. Robot., Vol. 33, Issue 6, Aug. 2017.

 

手腕(Wrist):

                                               Wrist mechanism

手腕关节具备pitch+roll+yaw的全自由度。

图(a)展示了一个pitch+roll方向的万向节(universal joint)设计，通过一个三连杆并联机构(three-link parallel mechanism)+红色蓝色的两条金属线拉动去实现一个在两个半球之间的二维滚动，即pitch+/pitch-/roll+/roll-。

图(b)展示了手腕关节yaw方向自由度的实现，即首先通过绿色的金属线拉动传动轴，这只传动轴由万向轴承支承，从图(a)的三连杆中穿过，驱动最末端的行星齿轮，进而再提供一定的减速比。

图(c)展示了具体关节的运动范围，即pitch+roll为，yaw为  (无奇异点)。

相关的描述手腕关节运动的Demo如下：

 

▌LIMS2-AMBIDEX的高速响应Demo

如上所述相应的驱动器排布和线传动带来的最大裨益即为：

机械臂末端执行器惯量小但同时刚度大，极其适合胜任较低负载、高速、精确响应的末端执行器操作任务。

LIMS2-AMBIDEX在今年IROS的Robotics Challenge比赛中获得冠军，这个比赛实际上设计了一个很简单的应用场景:

即要求机器人从桌面上抓取特定的扇子，打开扇子，再闭合扇子，最后把扇子放回桌面。完成上述任务且用时最短者为冠军。

LIMS2-AMBIDEX只用了1.05s就完成了此项任务。

 

 

▌几点感想与总结

1）对于较低负载、高速、精确响应的末端执行器操作的应用场景，类似LIMS2-AMBIDEX的驱动器排布和线驱动是有很好的借鉴意义的。虽然线驱动目前还有很多的实际难以解决的工程和维护难点，这个血泪史往后可以分享。

2）LIMS2-AMBIDEX完全不像是实验室的产物，主要体现在其老练的机械结构设计和制造工艺上，我现场看到这个机器人感觉非常惊讶，制造工艺一流，噪声极小，线驱动的预紧处理得很恰当。和韩国的同行聊了之后，了解到：其借助了很多韩国工业届（车企KIA）的帮助。

3）这几年光景，韩国的机器人水平进步飞块，而且不容小觑，有很多很出名的研究单位，诸如KAIST, KoreaTech等等。并且还有以中生代MIT Sangbae King为首的大量活跃在国际学术圈的韩国裔/籍海外学者。韩国其实也不失为一个做机器人研究的好的去处和选择。

 

Reference

H. Song, Y-S Kim, J. Yoon, S-H Yun, J. Seo, Y-J Kim, "Development of Low-Inertia High-Stiffness Manipulator LIMS2 for High-Speed Manipulation of Foldable Objects," IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), 2018

Y-J. Kim, “Anthropomorphic Low-Inertia High-Stiffness Manipulator for High-Speed Safe Interaction,” IEEE Trans. Robot., Vol. 33, Issue 6, Aug. 2017.