Ⅳ. 问题讨论
1） 设计选择：
为了保持有效的阻抗和力控制能力，我们需要协调设计一个低重量的四足机器人。我们设计了一种由无刷直流电机驱动的新型足式机器人，因为它们是高性能和低重量的电机 为了实现本体驱动[4]、[23]，具有足够低的传动比(9:1)。这种电机不需要特殊的力传感器，因为关节扭矩是直接从电机的电流测量值估算出来的[33]。低传动比齿轮结构具有低摩擦和低损失的优势，而齿轮零件变小和数量减少，同时减少了振荡负载下反射惯性的损失[24]。由于扭矩波动缓慢，我们了非专业级无刷电机。正常运动可以控制复合预期，但需要主动进行一些缓慢细致的控制。
足式机器人承受冲击会使扭矩达到峰值，对齿轮部件施加高动态载荷。单点接触面小的正齿轮不适合承受这种载荷，除非腿干 结合机械顺从性使用[20]、[26]或腿角方向[5]。虽然环形行星齿轮需要承受多个齿轮-[33]、电缆-[14]、[19]、皮带-[23]和链传动[13]和[16]组合的系统中的大部分负载，但它们在关节处于峰值扭矩时具有较高的稳定性，并能以较低的反射惯性长距离传输功率。因此，我们决定采用低重量、9:1传动比的双同步带传动来承受运动时的剧烈冲击。
机器人在平坦的环境中移动时不需要额外的传感器。然而，在未知地形上很难可靠、快速地估计接触地面时的低作用力。因此，在机器人的原始接触探测中，安装在足端的足式传感器结合了接触力。很少有传感器能在腿部高速触地时的剧烈冲击下保持作用。当触地作用集中在一只脚上时，其峰值力可能是体重的两倍[33]。文献[18]证实23]证实了基于压电偏转弹性材料或光学传感的轻量级力传感，其他接触传感器在橡胶材料中使用嵌入磁铁 [2]或通过惯性变化测量冲击 [15]。这些传感概念相对复杂，的传感概念Hsieh[10]基于弹簧加载光圈的简单廉价设计的接触传感。
2)阻抗控制能力：
我们通过测量电流来测量电机的扭矩。然而，由于齿轮损失、皮带和腿的结构活动和惯性损失，终端执行器产生的输出扭矩不同于电流计算。然而，我们的实验结果表明，阻抗控制是可行的。腿部刚度的系统测试表明，致动器模块可以作为构建高性能控制机器人的基础。相比之下，报告中的腿刚度值[6]范围为 k = 7 k N / m k = 7kN/m k=7kN/m 至 16.3 k N / m 16.3kN/m 16.3kN/m 。对于一个腿长1米的75公斤人，通过公式 [25] k ~ = k ? l 0 / ( m g ) \tilde k = k \cdot {l_0}/(mg) k~=k?l0/(mg)，得出腿部的无量纲刚度介于 k ~ = 10 \tilde k = 10 k~=10 和 22 22 22 之间。在我们的2自由度腿部实验中，我们测量出其腿部刚度为 266 N / m 266 N/m 266N/m，对应于 10.8 10.8 10.8 的腿部无量纲刚度，这表明机器人的腿部刚度与人类腿部刚度在相同范围内，也就是说人腿上能实现的能力在机械腿上也能实现。因为阻抗或力控制性能很少被描述，所以很难与其他四足机器人进行对比。根据由 10 k g 10 kg 10kg液压驱动的HyQ机器人腿部的报告[27，图12]，我们估计HyQ腿的无量纲刚度为 k ~ = 5250 N / m ⋅ 0.3 m / ( 10 k g ⋅ 9.81 m / s 2 ) \tilde k = 5250N/m \cdot 0.3m/(10kg \cdot 9.81m/{s^2}) k~=5250N/m⋅0.3m/(10kg⋅9.81m/s2)，略高于Solo的无量纲刚度。
3） 开源和推广：
本项目所需的机电硬件蓝图和软件都是BSD-3-clause license[1]下的开源软件，其他实验室可以用很荣誉地对机器人进行复制和改进。与此同时，另外三个实验室正在制作他们自己的四足动物复制品，我们实验室也在研发一个髋关节内收/外展自由度的全无线12自由度四足机器人。致动器模块价格低廉，整个8自由度四足机器人的制造成本约为 4000 欧元。机器人重量轻，操作简单，便于运输和安全操作，大大简化了实验环境。我们已经展视了制动器模块的安装，但也其他配置安装也于其类似。例如，将多条腿模块重新配置组装成用于控制的机械臂结构。这个平台也可以作为一个教育工具。例如，这条腿被用来教纽约大学的高中实习生机器人技术。
V. 总结
本文提出了一种用于力矩控制足式机器人的开源低成本制动器模块和脚踏式接触传感器。我们开发了该系统的硬件、电子设备和固件/软件，以支持腿部机器人运动研究，该机器人坚固耐用，重量轻，可由一名研究人员安全操作。实验表明，该机器人能在动态测试中产生良好的阻抗调节功能。我们介绍了基于kino-dynamic算法，实现的能对全身运动进行各个位置力矩调节的控制器。我们预计，这个开源项目将降低机器人的进入门槛，并导致机器人的进一步发展，从而使机器人界受益。
参与翻译者：灯哥开源团队，BQ
原文论文：An Open Torque-Controlled Modular Robot Architecture for Legged Locomotion Research——Felix Grimminger1, Avadesh Meduri1,3, Majid Khadiv1, Julian Viereck1,3, Manuel W¨uthrich1 Maximilien Naveau1, Vincent Berenz1, Steve Heim2, Felix Widmaier1, Thomas Flayols4 Jonathan Fiene2, Alexander Badri-Spr¨owitz2 and Ludovic Righetti1,3