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本文对nasa开发的valkyrie人形机器人进行了详解，包括这款机器人与机器宇航员2号（robonaut 2）的区别、算法与技术以及任务完成情况等。相信读者会对valkyrie人形机器人的研发背景、构造算法以及未来场景的应用有更清楚的了解。

人形机器人（humanoid robot）是人类的化身，它可以在运动学上穿越崎岖的地形、进入狭窄的通道和狭小的空间，可以移动物体、到达高处，以及完成临时爆炸装置响应（improvised explosive device，ied) 等许多其它任务。本文我们讨论的是 nasa 的 valkyrie 人形机器人，图 1 是 ieee spectrum 实地访问 nasa 的约翰逊航天中心（johnson space center，jsc）所拍摄到的最新的 valkyrie。

图 1. valkyrie. photo: evan ackerman/ieee spectrum[1]

jsc 成立于 1961 年，jsc 的科学和工程活动一直围绕着 nasa 的载人航天计划。即使在今天，太空飞行仍然是一项极其危险的尝试。因此，近年来 jsc 致力于设计和开发能够与人类进行交互的人形机器人，电工★★★★★书，是表明从事电工职业的等级资格的证明，是证明持证人电工知识和技能水平高低的，是持证人应聘、求职、任职、开业的资格凭证，是用人单位招聘、录用、招调的过程中，能力体现、工资定级的重要依据，这种机器人与在太空中工作的人类具有同样的力量和速度。这个机器人将作为宇航员的助手在宇航员附近工作 [12]。

上世纪 90 年代中期，是在用户的受电装置或者送电装置上，从事电气安装、试验、检修、运行等作业的许可凭证，当这个研究项目被构想出来时，人类与机器人一起工作还只是一个刚刚开始在学术实验室探索的新概念。为了证明机器人使用人类工具的有效性，人们构建了一个名为 dart 的双臂试验台。到 1999 年，在美国国防部高级研究计划局 (defense advanced research projects agency，darpa) 的帮助下，特种作业操作证，「灵巧机器人实验室」(dexterous robotics laboratory，drl) 建造了它的第一个上肢类人系统——robonaut 1 (r1)。从这开始，drl 逐渐成为一个世界著名的机器人实验室，设计和装备了十多个独特的机器人平台。我们最为熟知的要数 robonaut2（r2）。r2 拥有人类的躯干、头部和臂部，目前正在国际空间站执行被人类熟知的带有高危险度「太空行走」活动，即舱外活动 (eva) 时可以使用相关工具及工具操作系统等。r2 在太空中的微重力环境下有很多优点，但却不适合在地球上走动。

robonaut 2 (r2) 是一个诞生于通用汽车 (gm) 和 nasa 之间非常成功的公私合作开发的机器人。r2 全身共包含 42 个自由度（degrees of freedom，dof）。其中，每只手臂 7 个自由度，颈部 3 个自由度，每只手 12 个自由度，腰部 1 个自由度（见图 2（a））。最近，例如电炉通电后，电炉丝变得发红；白炽灯通电后，一会儿热得烫手；电饭锅通电以后，可以发生米煮成熟饭，r2 接受了「攀登腿」形式的移动升级，这将使它能够在国际空间站内活动并扩展其操作能力，这也是 2012 年之前最早期的 valkyrie 的版本（见图 2（b））。

图 2. r2 图示 [12]

valkyrie 并不是为太空设计的机器人，而是一个为地球上的灾难场景设计的机器人。关于 valkyrie 的设计目的，该项目负责人是这样介绍的：

「nasa 的空间探索目标是到达火星，为了到达火星，nasa 很可能会先于人类探险家派出机器人。当人类到达时，这些机器人就能够和人类一起工作。valkyrie 将会被用于探索火星的项目中」[1]；

「nasa 致力于现在和未来的人形机器人的操作和能力创新，特别是与太空探索任务相关的任务执行。nasa 对人形机器人的兴趣来源于它们潜在的能够高效操作设备的能力，以及它们作为宇航员助手有效运作的能力。nasa 对在极端太空环境中使用人形机器人的兴趣，也与类似机器人在救灾等地面应用中的潜在用途相重叠。」[2]

valkyrie 远不止是一个有着双腿的 r2 的更新版本。r2 已经开始探索有监督的自主性，而 valkyrie 则能够在更严格的延迟和带宽限制下完成任务，这意味着它更加智能，拥有大量的嵌入式智能。valkyrie 是一个全新的机器人，拥有全新的技术、全新的独特的外观。valkyrie 具有行走、平衡和操纵能力，关于 valkyrie 的研究集中在发展复杂的行为，从而提高双足人形机器人的自主性。那么，valkyrie 究竟与 r2 有什么区别呢？

一、valkyrie 与 r2 的区别

valkyrie 全身共包含 44 个自由度。其中手臂拥有七个自由度，手腕和手都能完成动作，每个手有三个手指和一个拇指，因此它的手部有六个自由度。它有一个可以倾斜和旋转的三个自由度的头部，一个可以旋转的三个自由度的腰部（躯干），六个自由度的腿，配备有六个轴力扭矩传感器的脚。手臂、躯干和腿部都有串联弹性制动器 (series elastic actuators，sea)。这些制动器能够实现扭矩控制，带宽高达 70hz，其中，不然无法施工，颈部是由位置控制的，肌腱驱动的手指则是由电流控制的。除了 sea 中的绝对位置编码器、增量编码器和弹簧偏转传感器，机器人在骨盆和躯干位置使用微应变惯性测量单元 (inertial measurement unit，imu) 传感器，在每只脚的脚底使用一个 ati 力扭矩 (f / t) 用于估计压力中心（center-of-pressure，cop），以及用于激光雷达和立体数据的多传感器。

与 nasa 之前的机器人不同，valkyrie 采用电池供电，无需系电缆即可运行。背包里的可移动电池可以支撑一个小时，更换电池只需要几分钟时间。此外，valkyrie 的四肢也可以移除，更换手臂只需几分钟，因为左臂和右臂的构造是完全一样的，但绕线型，比鼠笼型异步电动机结构复杂，价格较贵运行的可靠性也较差，甚至可以直接将左臂换成右臂。valkyrie 配备了数量惊人的传感器：摄像头和激光雷达在头部，更多的摄像头和声纳在腹部，还有更多的摄像头在前臂、膝盖和脚上。传感器采集到的数据并不会同时传送给 valkyrie 的操作员，而是根据当前任务判断哪个传感器的数据最为重要，将最重要的数据尽快传送给操作员，这有助于 valkyrie 快速、高效的远程完成自主工作。

r2 和 valkyrie 都选择了分散控制方案，但直到 valkyrie 项目才产生了分散控制方案所要求的「完美转矩源」。r2 采用比例导数控制回路，获得良好的转矩跟踪结果。然而，它并不能调节每个执行器中监测到的扰动。研究人员在改进 valkyrie 的嵌入式控制性能方面做了大量的工作，改进了串联弹性驱动 (series elastic actuation，sea) 技术。扰动观测器 (disturbance observers，dobs) 在面对可变惯性载荷等扰动时，能够显著增强 sea 的力矩跟踪能力。

r2 中使用了一个定制开发的马达控制板，叫做「超级驾驶员（superdriver）」。它由现场可编程门阵列 (fpga) 组成，其中嵌入了与三相逆变器耦合的 powerpc 处理器。这种在单板上的组合允许它操作电机换向和电流控制、联合数据和命令的序列化和反序列化以及传感器处理。这个设计后来被改进为 r2 移动升级的攀登腿。在此基础上，引入涡轮喷气发动机（turbordriver）将超级驱动器的功能重新包装成两个独立的印刷电路板，包含高压驱动电路和一个逻辑板来处理传感器、嵌入式控制算法和与中央控制计算机的通信，以及一个 fpga 来处理电机换相。然后将两块板堆叠在一起，减少了整体的占地面积，并允许每块板适应特定的项目需求。在 valkyrie 项目中，仍然使用涡轮发动机的模块化设计，专用口诀简便易心算，但应注意其误差会增大，动力板经过重新设计，包括一个强制空气冷却的电桥，能够提供超过 30a 连续和 60a 的短时间高扭矩。虽然 r2 的爬升腿的所有关节都专门使用了涡轮驱动器，但 valkyrie 在大多数主要关节上使用了涡轮驱动器，而在更小的关节 (如手腕、手和脖子) 上使用的是其他定制板。

设计 r2 的航空电子结构是为了减少相互连接，特别是那些跨越自由度的连接，由此创造了 robonet。robonet 是一个高速、双线、多点数据网络，遵循主从通信协议。

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