宇樹科技AlienGo：目前最大最重能夠實現後空翻的四足機器人強！及其相應的硬體設計解讀

在今年ICRA的關於腿足式機器人的Workshop中，來自宇樹科技的Speaker王興興展示了其新四足機器人產品AlienGo的部分性能和設計細節，作者當時就對這款新的機器人很有興趣，遂寫了如下的文章做一個簡要的設計分析前瞻，感興趣地可以先閱讀下文：

而此篇文章首先將回顧一下，宇樹科技於今日釋出的AlienGo的新的運動Demo，其中會包含一個很精彩的後空翻。同時會簡要分析一下AlienGo的硬體設計細節（即王興興在今年ICRA的Workshop中的展示的內容）——著重是一個分布在髖關節上，針對髖關節和膝關節pitch方向運動的雙驅動器耦合設計。

運動性能展示

關於運動性能，作者在這裡搬運了如下來自宇樹科技的AlienGo的運動Demo:

摘自宇樹科技微信公眾號

上述視頻中展示如下相應的性能：

高爆發運動能力（後空翻）

跌倒後的自動翻身功能

通過崎嶇路面的能力

高速行走的能力（Approx. Max. 1.5m/s）

集成Slam與人體運動tracking的視覺應用

其中最亮眼的無疑是通過後空翻展現的高爆發運動能力——0.25倍速的後空翻慢動作的GIF截取如下：

AlienGo的後空翻

這個運動性能目前是一個什麼水平呢？很客觀公正而又不吝讚美地說：這是世界上目前能看到的最大尺寸和重量的四足機器人進行的後空翻，相應的硬體設計、電機拖動與運動控制技術可以說是世界頂尖水平（作者果斷推測將要預定這幾天的IEEE Spectrum）

第一台能進行後空翻的四足機器人是來自MIT的Cheetah Mini，其整體的尺寸和質量(12kg)要遠小於AlienGo，為什麼作者在這裡要著重強調相應的尺寸和重量，因為對於電機驅動的腿足式機器人的高爆發運動能力來說，尺寸效應的影響是很關鍵的，因此從這個角度來談，AlienGo的高爆發運動性能是優於Cheetah Mini的。——關於這點，我在之前的文章中詳細介紹到，可見如下：

硬體設計解讀

針對髖關節和膝關節pitch方向雙驅動器的耦合設計

對於四足機器人每條單腿的自由度設計，通常目前都是遵循串聯式的Roll-Pitch-Pitch式的方案，三個驅動器都分布在髖關節，對於膝關節的pitch則通過連桿或者滾珠絲杠傳遞下去，有益於減小腿部慣量並提升動態運動性能，如下圖的Spotmini：

圖一：以Spotmini為例，常見的四足機器人髖關節串聯驅動器排布方案。

但此設計也存在一些弊端，即串聯式的關節設計使得電機分布在旋轉關節的兩側，因此兩電機間的電氣連接線在設計上將有所考究。

在當今主流的關節機器人的驅動器設計中，我們有中空式走線和非中空式走線兩種方案，目前大多數機器人都會採用前者。因為作為後者的非中空式走線的線路會直接暴露在關節外側，一方面影響機器人設計的整體性和緊湊性，另外一方面將帶來因為勾拽而導致電氣連接線脫落的安全隱患。而中空式走線將會避免這些問題（推測Spotmini也採用中空式走線的方式，如圖一所示，並沒有外置的電纜），但同時會在結構設計上帶來更大的複雜性，並且需要擴大驅動器的徑向和軸向尺寸，致使整體設計的緊湊度降低，軀體慣量增大，給後續動態運動能力帶來負面影響。

同時，無論是非中空式走線還是當今主流的中空式走線，在相應關節需要旋轉大量次數的工況下，都會帶來相應的線材磨損和疲勞損傷，最終影響作為商品的可靠性能。我們在機器人的科研應用中，幾乎已經認為中空式走線的方案是「完美」的，因為科研類機器人幾乎不考慮疲勞壽命，但作為商業產品性質的AlienGo，我想追求更加極致的產品可靠性，是其硬體設計優化上永遠的目標。從作者在iit和關節腿足式機器人打交道的經驗來看（採用中空式走線），80%以上的機器人硬體問題都是電氣連接線問題，這是目前制約機器人機電平台可靠性的瓶頸。

作者認為，主要是基於如上兩個原因：1. 提升設計緊湊性；2. 提升電氣連接電纜的使用壽命，AlienGo的髖關節採用了如下的耦合設計：

圖二：AlienGo的單腿設計圖及爆炸視圖，摘自宇樹科技相關專利書。

首先我們這裡描述的耦合設計是不包括髖關節Roll方向的驅動器的，此驅動器的設計還是和上圖Spotmini中的方案一致，並通過與上圖中5(關節轉接件)進行連接，傳遞整體Roll方向的運動給整條單腿。

上圖中的3為髖關節Pitch方向的驅動器，所選取方案為半直驅方案(QDD, Quasi-Direct Drive)，即集成了大力矩電機(外轉子電機) 小減速比行星減速器的設計。

所謂關鍵的耦合設計即是膝關節pitch方向的驅動器中的電機和行星減速器分布排布，前者電機排布在上圖中的4，而行星減速器則是排布在上圖中的40位置。這樣的排布方案下，兩關節的電機幾何排布上就十分接近（髖關節的大力矩電機分布在驅動器3中靠4的一側），如此就帶來相應的2個優點：

1.兩電機分布在旋轉關節（髖關節pitch）同一側，電氣連接線上不存在相對的扭轉運動，提升電纜的使用壽命，同時可以提升相應電機驅動PCB的集成度；

2.對於髖關節Roll方向的驅動器而言，因為軸向尺寸更加緊湊，且占驅動器絕大重量的雙電機排布非常靠近Roll方向軸線，極大地減小對於Roll方向慣量，有益於運動性能的提升。

具體實現細節上，膝關節電機4的輸出軸自由地從中軸線穿過髖關節的驅動器3，經過齒輪箱40放大扭矩後固連於四連桿中的搖柄7，最終通過連桿6驅動膝關節。而髖關節pitch方向的驅動器3則直接驅動大腿Link端的1。

這裡的話，膝關節電機4及相應的傳動軸和搖柄7，是和驅動器3本身是解耦和的，但由於兩電機位於旋轉關節同一側的非串聯設計，在搖柄7最終連接膝關節後，會帶來髖關節pitch方向驅動（3 1）和膝關節pitch方向驅動（4 40 7 6）的耦合。這個耦合無疑是我們不太想要見到的，作者為此詢問了王興興，他表示在底層的運動控制就已經用演算法進行解耦，因此在上層的運動控制中是和傳統的串聯式設計無異。

以下這張截面圖可以更好地展示針對髖關節和膝關節pitch方向雙驅動器的耦合設計：

圖三：AlienGo髖關節部位的截面圖，摘自宇樹科技相關專利書，作者進行相應注釋

新增感測器無線供電與傳輸設計

AlienGo整體的外形設計非常簡潔，幾乎發現不了任何的外置電氣連接線，除了之前章節談到的髖關節雙驅動耦合設計以外，作者發現AlienGo可能還採用了無線供電與信號傳輸的感測器設計，這在其前一代產品Laikago中是沒有的。在其專利設計書中提及到，在圖三中的81和82處安置有無線電能發射圈和無線電能接受圈，所傳遞的信號推測是足底的壓力接觸信號，具體的型號作者未知。

關於AlienGo與Laikago之間的驅動器性能比較

從理論上來講，AlienGo此次展現的後空翻性能和其新的雙驅動器耦合設計並沒有很核心的關聯，這類腿足式進行爆發性運動的硬體核心是驅動器的扭矩輸出/密度（Nm/kg）性能。

作者詢問了宇樹科技CEO王興興關於驅動器性能結構上有無原理上的改變，王興興表示：Laikago上集成的關節驅動器，其本身扭矩/質量的輸出密度性能反而是優於AlienGo。從作者目前搜集到的信息來看，AlienGo的幾何尺寸是小於Laikago的，同時自身重量也有個從~24kg級（Laikago）到~20kg（AlienGo）的減重（16.7%），小電機配上慣量、質量較小的身板能夠實現的空翻，那麼我們也有理由期待老一版的Laikago也能夠相應地實現——硬體上的驅動性能是能夠達標的，只需要對AlienGo上實現的控制演算法進行相應的移植和調整。

以上的設計分析是作者根據宇樹科技的相關專利書和對王興興的請教綜合整理而成，且主要是針對結構設計這塊，如果對相關其他的技術需要深入了解，可能您需要直接和王興興進行交流。同時據悉，這次AlienGo會在8.20-8.25的世界機器人大會（WRC）上展示，作者已經按捺不住興趣想親眼見證這個能力無限的「小狗」進行後空翻運動了。

文章來源：知乎 任賾宇，機器人大講堂略有改動

END

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