基于无框力矩电机抱闸实现人形机器人在展会中不依赖悬吊

注：本文是对以下三篇文档
林伟：人形机器人在展会中保持静止姿态、不依赖悬吊的方法
林伟：人形机器人在展会中保持静止姿态、不依赖悬吊的方法（续）
林伟：关于在人形机器人所用无框力矩电机中增加抱闸装置的一些思考
的精简、整合、补充，以便于将其技术思想在业内推广。
已读的朋友请考虑飘过。

正文：

1 人形机器人在展会中的悬吊状态

人形机器人展会上，静止摆放的各个展品都处于悬吊状态（在头顶或肩部用吊钩吊起来），不能自主长时间站立，因而被观众诟病。

（不放图了，请自行上网检索）

2 人形机器人不能长时间站立的原因

据笔者了解，这样做主要基于以下考虑（欢迎专业人士批评指正）：

人形机器人各关节位置的伺服电机，在转子静止的状态下，定子磁场为了对转子磁场产生足够的作用力以锁定转子，需要给线圈加载很大的电流，从而使功耗剧增，导致机器人内置的电池不足以支持几个小时的站姿。

3 基于电机抱闸使人形机器长时间站立

知乎文章林伟：在实用化人形机器人控制系统中深入应用FPGA的框架设计（基于特斯拉Optimus-Gen2的硬件系统）第3.5.2节述及：

控制通道中应提供电机抱闸功能。即，各电机控制通道的位置环检测到电机转动到了设定的角度之后，向电机发出抱闸信号，使电机轴稳固锁定在当前角度，确保人形机器人在不需要运动的时段内不动如山。
同时，由于电机转子角度的稳固不依赖于定子线圈产生的电磁力，定子线圈就可以断电，从而不再导致巨大的功耗、快速用尽电池的续航时间。

上述文章第3.1.1节的图2中，位于电机右上角的斜向控制线（用红色圆圈标记）就是抱闸控制信号线：

执行这个方案，必将面临一个现实的问题：

人形机器人在展会上时刻处于 “协作” 工况，在被 “非预期侵入” 邻近空间的观众接触的过程中，可能会受到推、挤、靠而歪倒，从而砸到周边的人类个体、把自己摔坏。

应对的思路是：

在人形机器人的脚底加个隐藏的、可以锁定大厅地基的机构（考虑在地基上预埋膨胀螺丝），或者将其脚底固定在（甚至粘在）可拆卸的底座上，扩大其支撑范围，这样TA就不会被与之互动的观众的无心之失（或者恶作剧）给弄倒了。

以上两个措施相结合，就能充分解决人形机器人在展会上的长时间、低功耗站立问题。

4 人形机器人在实用场景中必须长时间站立、快速进行 “静-动” 互换

在人形机器人的实用化应用场景中，例如室内家政服务（参考文档：林伟：室联人形机器人：家政服务任务结构化、技术要点、深入应用FPGA的控制系统框架设计），人形机器人肯定会有大量的闲暇时段，其中也包括随时等待服务对象召唤的时段。

在这些时段内，人形机器人最普通的姿态就是站立，即，处于与展会展示场景下相同的姿势。

另外，在人形机器人工作过程中，肯定也存在需要长时间（包括多个时段的累积，下同）保持躯干近似直立的情况，例如，炒菜，整理桌面，给老人喂饭，怀抱一个宝宝。

在这些常见的应用场景下，人形机器人实现长时间站立，同样属于刚需。

也就是说，只要考虑实用化应用场景，以较低的功耗长时间保持站立姿态，就是人形机器人必须提供的功能。

对此，本文第3节所述方法是目前已知最实用的一个。

进而，在实用化应用场景中，人形机器人必须快速在 “静止站立、运动” 两种状态之间实现切换，静如处子以确保低功耗待机，动如脱兔以应对突发情况。

极端场景举例：

渊渟岳峙之际一个箭步冲向正在从远处椅子上掉落的宝宝；
海底捞月接住宝宝之后迅速稳如泰山。

所以，在实用化应用场景中，如果采用本文第3节所述基于电机抱闸的方法（当然其脚底不能再固定于地面了），就必须考虑：

在多个电机精准协同（这种协同必须基于感知--运算--控制而非基于示教）的 “抱闸+线圈断电”、“松闸+线圈通电” 两组操作之间进行 强实时性（低延迟量+低延迟抖动量，下同）的互相切换。

5 人形机器人在实用场景中实现 “静-动” 快速互换的抱闸控制思路

对于应对上述多电机协同控制需求的思路，本节内容在笔者所写技术文档（林伟：在实用化人形机器人控制系统中深入应用FPGA的框架设计（基于特斯拉Optimus-Gen2的硬件系统））的第3.5.2节中已经做了介绍：

在解除抱闸、由静到动的过渡瞬间，大概率不可以一股脑地开闸、加载PWM波形了事。如何精微管控52次（注：包括了特斯拉Optimus-Gen2机器人的30个无框力矩电机、22个空心杯电机）解除抱闸与52次启动电机之间的时序关系（即使只有1个电机也存在两种操作时序关系的优化问题），如何设计电机启动过程中的反馈控制微操细节，以实现人形机器人动作启动过程的安全、平稳、平滑，实现被服务人类个体视觉、体感乃至听觉的舒适，有可能成为（或者，已经成为） 友商之间比拼性能的重要着力点之一。

事实上，在由动到静、施加抱闸的过渡瞬间，也存在类似的现实需求，不再赘述。