在設計機器人時，執行機構的允許質量和所需的輸出扭矩由所使用的環境決定。然而，這些需求還是能夠預留一個比較大的設計空間讓我們來選擇合適尺寸的電機和傳動比。我們開發出來一種執行機構的設計方法，使力量控制在高度動態的環境下的應用。該方法在給定的致動器重量約束下，優化了用於高精度本體感受力控制的電機選擇和傳動比。我們在MIT迷你獵豹的主執行器設計中使用了該方法。
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設計動機
MIT獵豹的高速腿式運動需要機器人腿具有大的加速度和扭矩。由於跑步時是在高度動態的環境下，腿的可變阻抗是需要的。然而現有的驅動策略無法滿足需求。通常，電動機通過高傳動比來實現所需的扭矩輸出和封裝尺寸。高減速比限制了控制策略的選擇。例如，閉環控制僅限於速度相對較慢的動力學。串聯彈性執行機構增加了很多附加執行機構，增加了系統的複雜性和慣性。我們相信存在更好的方式。最後，我們開發了一種新穎的執行機構，在許多應用場景中都是最優的。
設計目標
致動器的設計方法旨在於為我們提供理想的致動器。對於MIT的獵豹來說，理想的驅動器要具有如下條件：
1.適當的扭矩輸出。顯然，執行器必須能夠輸出所需的扭矩，這個值可能是相當高的。例如，在高速跑步中，地面的反作用力是體重的幾倍。
2.高轉矩密度。扭矩密度，或連續輸出扭矩/質量，相關輸出驅動器的大小和重量。扭矩密度越高越好，因為它允許一個更小，更輕和更可逆的驅動器。
3.抗逆向載荷衝擊能力高。執行器越可以向後驅動，就越容易移動末端執行器並反向驅動變速器。高回驅動能力保護系統免受環境影響，特別是意外環境影響的損傷。
4.高透明度。透明描述了能量在執行器和末端執行器之間雙向流動的容易程度。高透明度允許能量再生，延長電池壽命和使用有效的控制策略，如開環阻抗控制。一個高度可反向驅動的驅動器通常也是高度透明的。
5.效率高。在機器人移動應用中，效率當然是至關重要的—效率越高越好。
實現原理
通過對典型無刷電機的量綱分析，給出了關鍵的度量指標：間隙半徑。即從旋轉軸到轉子與定子間隙中心的距離。
尤其重要的，我們看到輸出轉矩與間隙半徑的平方成正比，質量與間隙半徑成正比，假設轉子和定子的厚度保持不變的情況下。因此，我們可以權衡電動機的大小和傳動比。對於給定的執行器質量預算和所需的輸出扭矩，我們可以使用帶有小齒輪箱和減速比的大間隙半徑電機，或帶有大齒輪箱和減速比的小間隙半徑電機，或任何介於兩者之間的東西。這種設計方法的最終目標是在這些條件下，考慮組件的慣性、反射齒輪動力學、定向齒輪損耗和期望的控制策略，並輸出最優的致動器設計。然而，並不是所有必要的模型都存在(如：定向齒輪損耗)。我們正在努力生成這些模型和創造一個優越的致動器設計工具。然而，以MIT的獵豹為例，考慮到驅動器與環境之間持續的雙向交互作用，最小的齒輪傳動比顯然更優越。這是最佳的最大差距半徑，因為這最大限度地提高扭矩密度，同時最小化齒輪傳動比。更重要的是，最大限度地提高齒輪傳動比可以最大限度地提高扭矩產生效率，這與電機常數有關，相當於扭矩的平方每單位歐姆功率損耗:
因此，我們看到，在許多機器人應用中，最優電動執行機構使電機的間隙半徑最大，齒輪傳動比最小。
實現的設計結果
為了驗證這個方法，我們在MIT獵豹上實現了它。我們使用現有的Emoteq HT-5001三相永磁同步電動機，其間隙半徑為77.5毫米，構造了一套定製的電動機。使用一級減速從而獲得最小的摩擦損失。
實驗表明，執行器優化設計方法實際上允許對獵豹的腿進行高強度的控制，如圖所示。
更重要的是，這個設計方法設計出了一個高效的驅動器。下圖是與類似產品的對比。
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後面我會持續更新機器人設計、控制、資訊等相關內容。
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