近年，仿人機(jī)器人的研發(fā)取得了重大進(jìn)展。Rollin’ Justin 是由德國航空航天中心 (DLR) 研制的一款機(jī)器人，能夠完成復(fù)雜的雙手動(dòng)作，由于采用了移動(dòng)平臺(tái)，可以在房間中行動(dòng)自如。它是一種服務(wù)機(jī)器人的雛形，未來可以幫助人們完成日常家務(wù)或在倉庫里搬送物品。對運(yùn)動(dòng)順序至關(guān)重要的快速通訊通過 EtherCAT 來實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)，由倍福的 TwinCAT PLC 自動(dòng)化控制軟件實(shí)現(xiàn)精細(xì)的控制。
德國航空航天中心（DLR）位于德國 Weßling 市，Rollin’ Justin 機(jī)器人是其十多年的研究成果。這種人形移動(dòng)式機(jī)器人是在由DLR研發(fā)的輕型機(jī)械臂和機(jī)械手基礎(chǔ)上研制而成（例如，用于太空維護(hù)工作的機(jī)械臂和機(jī)械手）。通過旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)底座可擴(kuò)大機(jī)器人的抓取范圍，底座裝有4條獨(dú)立的、可靈活伸縮的機(jī)械腿。這與人通過身軀和腿的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)大活動(dòng)半徑相類似。“Rollin’ Justin上半身可自由旋轉(zhuǎn) 43 度，并配有扭轉(zhuǎn)傳感器；共有 51 個(gè)關(guān)節(jié)，可以完成高度靈活的運(yùn)動(dòng),，能夠靈敏地進(jìn)行操作和交互運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人的雙手可以嫻熟地操作物體，例如搬移木箱或者沏茶。后者需要復(fù)雜的動(dòng)作協(xié)調(diào)性。機(jī)器人必須一只手抓住茶葉罐，另一只手旋開它。然后，將茶葉粒倒入飲用玻璃杯。此時(shí)，通過手指輕扣塑料容器，精確地控制茶葉用量。最后將水從水瓶倒入茶杯。
扭矩傳感器實(shí)現(xiàn)敏捷操作
視操控動(dòng)作的不同，需要較松或較緊地協(xié)調(diào)手臂和手的動(dòng)作：例如,抓起如木箱之類的大型物體時(shí)，兩個(gè)手臂必須緊密地協(xié)調(diào)工作。另一方面，旋開螺帽，要求手和臂完成良好的同步運(yùn)動(dòng)。此外，Rollin’ Justin 也可以與人和周邊環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。當(dāng)撞到某物或者觸碰到物體或者人時(shí)，它可以感知并立即中止動(dòng)作，或者詢問是否應(yīng)繼續(xù)工作。通過集成的語音識(shí)別系統(tǒng)，該機(jī)器人可識(shí)別約 100 個(gè)單詞且能將其組成有意義的短語。此外,它還可以通過內(nèi)置攝像頭采集周圍環(huán)境信息并識(shí)別目標(biāo)，從而調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)方向。如在手指中安裝扭矩傳感器，確保 Rollin’ Justin 可以靈敏地抓起像草莓之類的物體且不擠碎它們。機(jī)器人的腳的活動(dòng)范圍可調(diào)：當(dāng)執(zhí)行高動(dòng)態(tài)性動(dòng)作或者大范圍移動(dòng)動(dòng)作時(shí)，Rollin’ Justin 可伸展開腿，擴(kuò)大底盤范圍，從而穩(wěn)定上部軀體。需要穿過狹窄通道時(shí)，它會(huì)再次縮回腿。
“通過 EtherCAT，我們找到了理想的通信系統(tǒng).”
Klaus Kunze，來自德國航空航天中心機(jī)器人系統(tǒng)部機(jī)器人與機(jī)械電子研究所。他說，“研制Rollin’ Justin 時(shí)，使用第三方供應(yīng)商成熟的硬件組件，使我們節(jié)省了大量耗時(shí)的研發(fā)工作。”“我們主要根據(jù)所需的目標(biāo)功能和緊奏型設(shè)計(jì)來選擇組件。”
然而，這給德國航空航天中心帶來的挑戰(zhàn)是：必須整合各種不同的實(shí)時(shí)協(xié)議。采用了通過 CAN、CANopen、SERCOS、SpaceWire 和 EtherCAT等實(shí)現(xiàn)通信的組件。這些不同現(xiàn)場總線之間的轉(zhuǎn)換由 EtherCAT 從站上的倍福 TwinCAT PLC 自動(dòng)化軟件完成。控制所需全部數(shù)據(jù)均通過 Matlab®/Simulink® 環(huán)境中的一個(gè)具有實(shí)時(shí)功能的總線協(xié)議同步傳輸。該環(huán)境安裝在一臺(tái)獨(dú)立的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)上，并由該計(jì)算機(jī)控制整個(gè)平臺(tái)（包括機(jī)器人上部軀體）。“我們需要這樣一個(gè)解決方案，一方面支持這些組件的通信技術(shù)，另一方面不影響這些組件的性能。例如，可以實(shí)現(xiàn) 1 毫秒的 SERCOS 驅(qū)動(dòng)周期時(shí)間和較短的靜區(qū)時(shí)間。”Klaus Kunze 說。通過倍福的標(biāo)準(zhǔn) EtherCAT 端子，完美地實(shí)現(xiàn)了力傳感器和伺服驅(qū)動(dòng)的連接。倍福的 SSI 終端從機(jī)器人腿的位置傳感器采集數(shù)據(jù)。機(jī)械臂和軀干的 SERCOS 驅(qū)動(dòng)器則通過倍福的 SERCOS 主站 PCI 插卡連接。Rollin’ Justin 為德國航空航天中心提供了一個(gè)優(yōu)異的試驗(yàn)平臺(tái)?；谠撈脚_(tái)，可以完成計(jì)劃用于復(fù)雜的雙手操作任務(wù)的控制策略和智能動(dòng)作。目前來說，將移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人用于搬運(yùn)木箱或沏茶等家務(wù)的家庭助手仍然屬于將來的一個(gè)夢想。
