自从大约一年前（2020年初）靓Reachy面世以来，它可爱和充满情感的表现力让人们渴望与它互动，它的细节设计也一直是所有人关注的焦点。在花粉机器人公司，设计是我们方法的核心。当我们创建机器人时，我们特别注意互动、情感和表现力。对我们来说，这是利用自然和富有成效的人与机器人互动和协作的关键，因为它使整个过程自然，易于理解，高效，但也更好地接受。如果互动感觉尴尬或难以理解，没有人会使用社交机器人。
这显然是一个非常广泛和复杂的话题，但我们一直遵循一个准则：从生物中获得灵感。我的意思是研究他们如何与他们的环境互动，并提取是什么使它工作这么好的本质。请注意，我们不是想直接模仿——这将是一个不可能完成的任务，因为它太复杂了，我们可能会错过真正重要的事。
以上这句话现在很可能让你感觉很抽象。让我用一个非常具体的例子来说明这一点：我们如何根据Orbita执行器设计Reachy富有互动性的颈部。
专门设计的机器人脖子
1、经典的云台系统
我们为Reachy的脖子开发的第一个解决方案是泛倾斜系统。这是机器人颈部的常见解决方案，因为它易于集成和使用。
云台系统有2个旋转，机器人学家称之为自由度（通常注意到2-DOF）。每个旋转都由单个电机执行。这允许头部从左到右旋转，从上到下旋转。结合这些旋转使机器人能够环顾四周。两个电机通常作为串行系统一个接一个地放置，这很容易控制和集成到机器人中。
但是，虽然设计、生产和控制简单，但该系统存在一些重大限制。为了理解它们，正如我在介绍中承诺的那样，我们将回到研究生物的脖子。
2、保持头部竖直
首先，如果你从来没有想过这一点，这可能并不明显，但脖子的主要作用是始终保持我们的头直。拥有稳定的头部实际上是一个关键特征，由年年演变选择。这在运动、视觉流和跟踪（例如捕食者如何评估猎物）方面起着关键作用。
只要你的身体不真正移动，平底锅倾斜是可以的。但是，当它发生时，你需要第三度的自由，以确保你的头保持水平！
目前，我们的机器人Reachy没有运动能力，但我们计划在不久的将来添加这样的功能。最重要的是，重要的是要注意颈部的目的不仅仅是保持头部水平。。。
沟通和传达情感🤣
正如你现在可以收集的，物种进化已经设计了我们人类与3D激活的脖子为视觉目的。最重要的是，我们开发了进一步的关键用途，这个脖子。我们的头部及其方向在沟通和传达情感方面起着核心作用。我们的脸（眼睛，嘴，眉毛）已经传达了大部分，但我们的头本身也很重要。当然，如果头部是直的，我们也会理解🤣的意思，但倾斜使它更具冲击力。
我们脖子上传达的一些表情可以通过泛倾斜系统复制。但是，他们往往失败看起来自然，现实和美学。更进一步，有一些动作，我们，人类，经常做，这是根本不可能操作与2自由度脖子。
头部向左弯曲可能意味着同理心、甜蜜，有时还意味着诱惑：弯曲的权利，它可能意味着质疑或分歧等。。。
这些是一个轴上旋转的例子，但传达任何情绪通常仍然比较复杂，意味着所有3个旋转一次。
这是我们设计 Orbita 的主要动力：我们需要人类颈部的 3 自由度，让Reachy 显示全方位的情感。
什么是Orbita？
正如我们上面解释的，对于我们的脖子，我们需要那些3度的自由。因此，要执行这个3-DOF接头，我们需要3个电机。此外，我们不希望一个缓慢或不够准确的脖子的头部应该跟踪对象，瞥了几个人，并很长一段时间。我们想要的是一个快速，强大的执行器，与光滑和干净的轨迹。
在许多机器人上，3度的自由是由3个马达组成的串行系统一个接一个地放置的。我们首先考虑了这个解决方案，但我们注意到它导致了三个主要问题：
· 三个旋转在3D空间中不是在同一点上，它们会互相抵消。这不等同于人体的运动方式，并可能导致旋转不同时进行，从而看起来尴尬的情况。
· 通过结合一些旋转可以观察到金巴尔锁现象，这使我们失去了一个DOF。
· 一个接一个地放置 3 个电机根本不有效，因为第一个电机必须携带另外两个电机。此外，系统变得笨重，看起来并不优雅。。。
在此观察之后，我们选择了替代方案：将电机放在另一个电机旁边，使其协同工作，以便旋转仅在 3D 空间的同一点组合在一个电机中。电机之间不再有移动，不再有携带其他电机。这被称为平行系统，它也比串行系统更强大和更准确，它是更复杂的设计和控制。。。
在花粉机器人公司，我们喜欢展示简单而美丽的设计的令人振奋的系统。因此，一个脖子与3-DOF串行系统是不会做的工作，使Reachy看起来很漂亮，甚至会限制其表达的跨度！事实证明，一个平行和紧凑的系统将更美观地看到和令人兴奋的挑战，设计和控制。
由于今天没有这样的执行器是商业上可用的，现有的（如帕洛玛手腕或这些海洋推进器）仍然处于原型化阶段（和不够紧凑，以适应Reachy反正），我们创建了我们自己的机械结构和控制方法！
Orbita如何工作？
Orbita机制基于三个电机同时激活 3 个磁盘。
磁盘是圆柱形部件，内部有轴承，可以一个接一个地滚好。他们也有一个齿轮，包括控制电机速度和扭矩通过小齿轮。然后，将手臂连接到磁盘上，通过三个连接点将旋转传输到末端效应器。最终效应器可能是头部、手或任何你想要的，只要它有3个螺纹孔来连接Orbita的手臂。
总结一下：电机使磁盘旋转，然后磁盘使手臂旋转以执行最终效果。
与其他可比执行器相比，Orbita 的特殊性在于齿轮在机制内部，而不是外部。因此，Orbita 更紧凑，独立于外部元素，可以放置在任何地方。
好的，但是我该如何控制它呢？
机器人学家用于用欧拉角控制机器人的旋转，这些角表示我们称之为"滚动、间距和 Yaw"（RPY）的效应器框架 X、Y 和 Z 轴上的旋转。它们非常方便进行简单的旋转，因为每个电机对应于 RPY 旋转之一。但是，当我们需要同时计算几次旋转时，它们的使用和可视化变得更加复杂。
为了简化Orbita效应器旋转的计算，我们根据另一个数学工具（即四元数）制定了一种控制方法。
四元数是围绕某一向量旋转某个角度的数学表示，仅使用矢量的 3D 坐标和旋转角度。
与Orbita，Reachy能够看到一切，泛倾斜的脖子将允许他看到和更多！它的颈部是强大和准确的，因此我们可以控制头部的方向在3维，而无需有一个困难的时间快速移动或瞄准一个精确的位置在太空中。此外，Orbita 的设计为 Reachy 提供了精致而优雅的外观，吸引人们并邀请他们进行互动。
Orbita 不仅仅是一个用于动态性能的 3-DOF 执行器，即使它已经是一个巨大的突破。用作颈部，它利用逼真的和表现力的头部运动的设计，提高用户体验与Reachy。
同样的功能很可能被证明对机器人的其他铰接有用。例如，当人类说话交流时，他们也会以非常复杂和有意义的方式移动双手。因此，我们已经体验过Orbita作为手腕。我们还在研究使用它一个更强大的版本的Orbita执行肩膀。这些改进将进一步增强Reachy运动的现实性，其动态性能，当然还有它的可爱 :)
注：本文来源pollen-robotics，作者为花粉机器人公司的创意研发机电一体化工程师，奥古斯丁·克兰佩特。转载时对改文章进行了翻译。
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