大数据文摘授权转载自机器人大讲堂

倒立、跑酷、360度转体、踢足球，人形机器人的发展是越来越逆天了。

在这些逆天的动作下，机器人的设计其实有很多讲究。

为了提高人形机器人的动态性能，它们需要一种刚性结构和质量惯性特性的最优分布。

这是什么意思呢？打个比方，如果两个机器人的身高都是1米8，那么体重更轻那个，由于惯性减少，可以更轻松的完成运动范围，也就是“更灵活”。

最近，德国人工智能研究中心开发了一款人形机器人RH5，其高2m，重量仅为62.5kg，这比多数只有1.5米高的人形机器人的体重还要轻，不仅如此，RH5每只手都可执行5公斤有效载荷的重型动态任务。

突破体重大关——串并联混合设计

要想让人形机器人“更轻”“更灵活”，刚性结构的设计很关键，常见的几种刚性结构设计有以下几种：

串联和树型结构在机械臂中非常常见，功能性多、工作空间大、建模和控制都很简单，然而，该结构建造的人形机器人往往很笨重，通常受到速度和力/扭矩的限制。

并联结构的人形机器人可以提供更高的刚度、速度、精度和有效载荷能力，但工作空间却相对减少，结构设计复杂，且需要仔细分析和控制。

RH5机器人受人类关节的结构启发，利用了串并联混合设计，该设计结合了串联和并联结构的优点，可以大大减轻其重量，提高其结构刚度和动态特性。

机器人的设计比例与人类很接近，浑身上下共有34个DOF，连续排列的旋转执行器可以增加运动范围，对于运动范围小的关节，例如踝关节，研究人员还添加了侧倾和俯仰运动，具有良好的扭矩-速度特性，同时最大限度地减少整体重量和腿部惯性，可以轻松实现类人运动范围。

说到这，小编想起之前介绍过的人形机器人TORO，同为德国公司出品，它具有良好的路况动态步行能力，但其小腿设计使用了串联结构，RH5 机器人的踝关节可以为提供比 TORO 踝关节更好的最大速度和扭矩，而不会影响运动范围；同时，RH5小腿的重量是TORO小腿重量的一半，仅有2.3kg，而两条小腿的长度几乎相等。

全身轨迹优化算法，稳定性提升Get！

RH5串并联混合的结构可以让机器人减轻重量，提高动态特性，但同时这也是一个高度复杂的机电系统，此类机器人的通用处理仍然是一个悬而未决的问题，建模深度和准确性与计算效率之间总是存在权衡。

为此，研究人员提出了一种改进的接触稳定性软约束DDP算法，对机器人进行分析和控制，这是一种基于微分动态规划的全身轨迹优化技术，能够生成物理一致的人形行走轨迹，并通过物理模拟器中的简单PD位置控制来跟踪。

RH5机器人采用了一种混合控制方法，由于机器人有多个平行的关节模块，运动控制可以以完全分散的方式实现，它结合了局部的低级电机控制和中央控制器的高级控制，从而实现具有低延迟的本地控制回路。

来看看RH5人形机器人的初步实验结果，稳定性表现非常不错！

单脚抬起的稳定性：

做一组膝盖关节运动：

目前，研究人员只对RH5人形机器人进行了简单的测试，一起期待它未来更精彩的表现吧！

【参考链接】

https://arxiv.org/abs/2101.10591

https://www.youtube.com/watch?v=jjGQNstmLvY

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