|
人體肌肉控制原理、連接大腦和身體的感覺神經(jīng)系統(tǒng)、大腦的學(xué)習(xí)以及人類行走運(yùn)動(dòng)……為了解決這些知識(shí)缺陷，我們提出了一種模擬人類的人形機(jī)器人，它對(duì)人類肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的解剖保真度前所未有。我們?cè)O(shè)計(jì)的基本概念是考慮人體機(jī)制，這與現(xiàn)有人形機(jī)器人設(shè)計(jì)中使用的傳統(tǒng)工程方法形成對(duì)比。
我們相信，該仿人機(jī)器人可為科研提供新機(jī)會(huì)，例如，定量分析運(yùn)動(dòng)中人體的內(nèi)部數(shù)據(jù)。我們描述了仿真人形機(jī)器人Kenshiro和Kengoro的原理和發(fā)展，并比較了它們?cè)谏眢w比例、骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉排列和關(guān)節(jié)表現(xiàn)方面與人類的解剖保真度。為了證明仿真人形機(jī)器人的潛力，Kenshiro和Kengoro還完成了幾個(gè)典型的人類動(dòng)作。
介紹
過去兩千年里，人類一直在努力了解構(gòu)成人體的系統(tǒng)和機(jī)制，例如肌肉控制的原理、連接大腦和身體的感覺神經(jīng)系統(tǒng)、大腦中的學(xué)習(xí)機(jī)制以及完成簡(jiǎn)單的行走動(dòng)作。近年來，新技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以建造模仿人體結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人的地步，這些機(jī)器人使我們能夠通過制造人形機(jī)器人或在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來研究人體中的系統(tǒng)。然而，傳統(tǒng)類人機(jī)器人的局限性在于它們是在傳統(tǒng)工程學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)和信息學(xué)理論的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。它們也主要用于面向工程的應(yīng)用，例如日常生活中的任務(wù)完成、個(gè)人援助或?yàn)?zāi)難響應(yīng)。相比之下，我們的意圖是設(shè)計(jì)一種基于人類系統(tǒng)的人形機(jī)器人——包括肌肉骨骼結(jié)構(gòu)、感覺神經(jīng)系統(tǒng)和大腦信息處理方法——支持以科學(xué)為導(dǎo)向的目標(biāo)，例如更深入地了解人類的內(nèi)部機(jī)制。
我們的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功開發(fā)了肌肉骨骼機(jī)器人，似乎有可能將這些機(jī)器人用于我們所述的目的，因?yàn)樗鼈兡７氯祟惖募∪夤趋澜Y(jié)構(gòu)，支持人類的靈活身體和行為，并支持使用肌腱驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的人類式肌肉驅(qū)動(dòng)。然而，從解剖學(xué)的角度來看，這些肌肉骨骼機(jī)器人對(duì)我們的目的來說不夠精確，例如身體比例、肌肉排列和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，盡管它們的驅(qū)動(dòng)確實(shí)模仿了人類肌肉收縮。其他研究團(tuán)隊(duì)也從擬人的角度成功開發(fā)了肌肉骨骼機(jī)器人，這些機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)和形狀受到人類啟發(fā)，為控制和建模這些類型的機(jī)器人提供了有效的方案，卻無法進(jìn)行全身運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈儧]有肌腱驅(qū)動(dòng)的腿來支撐體重。
因此，我們提出了一種仿人機(jī)器人，它對(duì)人體結(jié)構(gòu)具有高度的解剖學(xué)保真度，并且能夠進(jìn)行全身運(yùn)動(dòng)。我們相信，這種仿人機(jī)器人可以為推進(jìn)科學(xué)提供新的機(jī)會(huì)，例如在肌肉骨骼物理模擬領(lǐng)域，使用仿人機(jī)器人的傳感器捕獲和定量分析運(yùn)動(dòng)人體的內(nèi)部數(shù)據(jù)。在這里，我們從以下幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了一個(gè)解剖學(xué)上正確的模擬人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則:，包括身體比例、骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉排列和關(guān)節(jié)性能。
我們還以Kenshiro和Kengoro人形機(jī)器人的發(fā)展為例進(jìn)行了描述。人類模仿設(shè)計(jì)概念是每個(gè)人形機(jī)器人的共同概念。Kenshiro是基于這一概念開發(fā)的第一個(gè)人形機(jī)器人，隨后Kengoro進(jìn)行了大量改進(jìn)，以達(dá)到更高的人類逼真度。這些人形機(jī)器人的身體具有解剖學(xué)上正確的肌肉骨骼結(jié)構(gòu)，因此我們可以評(píng)估肌肉骨骼結(jié)構(gòu)相對(duì)于人類肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的保真度。圖1示出了所提出的仿人機(jī)器人的設(shè)計(jì)概述。
圖1 仿人機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)概念。
與基于工程理論設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)類人機(jī)器人相比，模擬人類的類人機(jī)器人是根據(jù)人體的機(jī)制設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)模擬人形機(jī)器人時(shí)，與普通人相同的身體比例和肌肉骨骼結(jié)構(gòu)被用作設(shè)計(jì)規(guī)范。
結(jié)果
在本節(jié)中，我們描述了Kenshiro和Kengoro的解剖逼真度，并評(píng)估了他們的肌肉骨骼結(jié)構(gòu)在四個(gè)感興趣的特定區(qū)域模仿人類肌肉骨骼結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確程度。
身體比例保真度
通過使用人類統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)來設(shè)計(jì)Kenshiro和Kengoro的身體比例，以便人形機(jī)器人具有更像人類的身體比例，并且根據(jù)人體中的相應(yīng)長(zhǎng)度來設(shè)計(jì)Kenshiro和Kengoro的鏈接長(zhǎng)度。為了評(píng)估他們模擬人類的身體比例，我們使用表1中所示的身體片段在Kenshiro、Kengoro和普通人之間進(jìn)行了鏈接長(zhǎng)度比較。請(qǐng)注意，幾項(xiàng)研究報(bào)告了人類鏈接長(zhǎng)度和重量的比率。結(jié)果表明，Kenshiro和Kengoro與人類相比的平均鏈接長(zhǎng)度分別為101和99.3%。
表1 Kenshiro和Kengoro與普通人的鏈接長(zhǎng)度比較。
為便于比較，標(biāo)明了每個(gè)的主體部分。假設(shè)Kenshiro和Kengoro的身高相同，對(duì)人體長(zhǎng)度比例進(jìn)行了計(jì)算，還對(duì)Kenshiro和Kengoro和普通人之間的質(zhì)量分布特性進(jìn)行了比較。表2給出了這一比較的結(jié)果，從中可以看出，Kenshiro和Kengoro的平均體重分別為普通人的115%和116%。因此，我們證實(shí)了從質(zhì)量分布的角度來看，組裝的人形機(jī)器人表現(xiàn)出高保真度。
表2 Kenshiro、Kengoro和普通人的鏈接權(quán)重比較。
根據(jù)（27）和（50）的數(shù)據(jù)，在（49）中報(bào)告了該比較中使用的人類數(shù)據(jù)。每個(gè)人的體重都是假設(shè)Kenshiro和Kengoro的體重相同來計(jì)算的。
軀干包括上軀干和骨盆，上軀干包括脊柱、胸部和肩胛骨。Kenshiro沒有手。
還對(duì)Kenshiro、Kengoro和普通人之間的質(zhì)量分布特性進(jìn)行了比較。表2給出了這一比較的結(jié)果，從中可以看出，Kenshiro和Kengoro的平均體重分別為普通人的115%和116%。因此，我們證實(shí)了從質(zhì)量分布的角度來看，組裝的人形機(jī)器人表現(xiàn)出高保真度。
根據(jù)（27）和（50）的數(shù)據(jù)，在（49）中報(bào)告了該比較中使用的人類數(shù)據(jù)。每個(gè)人的體重都是假設(shè)Kenshiro和Kengoro的體重相同來計(jì)算的。
在骨骼結(jié)構(gòu)評(píng)估方面，我們比較了一個(gè)人和幾個(gè)類人機(jī)器人（包括Kenshiro和Kengoro）之間的自由度數(shù)量。在人類中，已經(jīng)識(shí)別出548個(gè)關(guān)節(jié)自由度；當(dāng)排除面部和手部時(shí)，根據(jù)其功能分類，基于骨骼連接的數(shù)量有419個(gè)自由度（17）。每個(gè)關(guān)節(jié)可以包括一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)自由度。圖2顯示了關(guān)節(jié)自由度的比較，不包括基于Kenshiro和Kengoro或其他真人大小的人形機(jī)器人數(shù)據(jù)的面部和手部自由度（3、4、18–25）。這些類人機(jī)器人可以大致分為兩組。第一組（即軸向驅(qū)動(dòng)組）由普通人形機(jī)器人組成，每個(gè)關(guān)節(jié)處都有致動(dòng)器來移動(dòng)它們的結(jié)構(gòu)鏈接，關(guān)節(jié)自由度的數(shù)量為27至35。這一組的例子包括HRP2或ASIMO類人機(jī)器人。第二組（即肌腱驅(qū)動(dòng)組）由肌腱驅(qū)動(dòng)的類人機(jī)器人組成，這些類人機(jī)器人具有受人類啟發(fā)的肌肉骨骼結(jié)構(gòu)，具有相對(duì)大量的關(guān)節(jié)自由度（55至114）。使用多個(gè)脊柱關(guān)節(jié)是達(dá)到人類靈活性所需的最重要因素之一，并且當(dāng)前人形機(jī)器人的自由度數(shù)量受到人形機(jī)器人是否具有脊柱靈活性的限制。健四郎有64個(gè)自由度，僅占人類419個(gè)自由度的15%。
與其他人形機(jī)器人相比，多個(gè)脊椎關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的偏航旋轉(zhuǎn)自由度是全身自由度相對(duì)較多的原因。Kengoro有114個(gè)自由度，是人類擁有的自由度的27%，是真人大小的人形機(jī)器人中自由度數(shù)量最多的。如果包括手動(dòng)自由度，Kengoro配備了174個(gè)自由度。其末端效應(yīng)器中的多個(gè)自由度被認(rèn)為是自由度數(shù)量增加的原因。末端執(zhí)行器是人形機(jī)器人中一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的話題，在這一領(lǐng)域，類人機(jī)器人和人類之間仍存在很大差距。
肌肉排列保真度
人類模擬肌肉布置意味著，肌肉致動(dòng)器被放置和布置成使得它們基于人體解剖學(xué)復(fù)制肌肉起點(diǎn)和插入點(diǎn)。這種布置使得肌肉骨骼人形機(jī)器人中的肌肉致動(dòng)器的命名能夠與人類中的肌肉致動(dòng)器相匹配，這反過來增加了從人類模擬人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中獲得的肌肉數(shù)據(jù)的可信度。
表3顯示了人類與包括Kenshiro和Kengoro在內(nèi)的幾種肌肉骨骼機(jī)器人之間同義肌肉數(shù)量的比較。對(duì)全身運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要的人類肌肉被計(jì)算在內(nèi)。面部或器官的肌肉從數(shù)字中剔除。在表中，計(jì)數(shù)不是基于肌肉（執(zhí)行器）編號(hào)，而是基于肌肉的名稱，因?yàn)樵谀承┣闆r下，Kenshiro和Kengoro配備了代表單塊肌肉的多個(gè)肌肉執(zhí)行器。例如，Kenshiro配備了兩個(gè)代表腓腸肌的肌肉執(zhí)行器，以確保足夠的肌肉輸出。在脊椎中，Kenshiro和Kengoro的肌肉關(guān)系數(shù)量高于其他機(jī)器人。在手臂中，不包括手的內(nèi)部肌肉，Kenshiro和Kengoro分別擁有人類肌肉的27.0%和51.4%。Kengoro的肌肉數(shù)量比Kenshiro多，因?yàn)榍氨酆褪滞蟮募∪庥兄谠黾蛹∪鈹?shù)量。
在腿部，除了腳的內(nèi)部肌肉外，Kenshiro和Kengoro分別擁有人類50.0%和57.1%的肌肉。在整個(gè)身體比較中，不包括手和腳的內(nèi)部肌肉，Kenshiro和Kengoro的肌肉保真度分別為人類的37.7%和49.1%。在這些結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們證實(shí)了與其他類人機(jī)器人相比，模擬人類的類人機(jī)器人Kenshiro和Kengoro具有最大的肌肉保真度。然而，當(dāng)包括手和腳的肌肉時(shí)，Kenshiro和Kengoro的逼真度分別下降到30.1%和39.1%。
這些結(jié)果是由于末端執(zhí)行器的肌肉占人類整個(gè)肌肉比例的很大一部分。因此，末端執(zhí)行器在人類日常生活中非常重要。這表明，開發(fā)仿人末端執(zhí)行器以推動(dòng)人形機(jī)器人向前發(fā)展至關(guān)重要。
表3 肌肉保真度評(píng)估。
根據(jù)與人類肌肉名稱相對(duì)應(yīng)的肌肉名稱來計(jì)算肌肉數(shù)量。在比較中描述了由（12，51，52）開發(fā)的肌肉骨骼機(jī)器人中的肌肉數(shù)量。
獨(dú)臂機(jī)器人聯(lián)合演出逼真度
在Kenshiro、Kengoro和普通人之間進(jìn)行了聯(lián)合射程比較。請(qǐng)注意，人類的關(guān)節(jié)范圍已在（17，26，27）中報(bào)告。使用幾何計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型或真實(shí)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)檢查了Kenshiro和Kengoro的機(jī)械關(guān)節(jié)范圍，并比較了頸部、脊柱、肩部、肘部、臀部、膝蓋和踝關(guān)節(jié)范圍。結(jié)果如圖3所示。我們證實(shí)了Kenshiro和Kengoro的幾乎所有關(guān)節(jié)范圍都與人類相似，這表明這些人形機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)靈活的類似人類的姿勢(shì)。特別是，肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)中的球形關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。多關(guān)節(jié)脊柱是一種模擬人類的關(guān)節(jié)，可以像人類一樣靈活地?cái)[出各種姿勢(shì)。在人形機(jī)器人中，由于人類模仿的肌肉排列，可以實(shí)現(xiàn)類似人類的大范圍運(yùn)動(dòng)。冗余的肌肉布置確保在關(guān)節(jié)極限附近有足夠的關(guān)節(jié)扭矩，在關(guān)節(jié)極限處，由于約束力不足，關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性往往會(huì)降低。
討論
在這里，我們描述了我們?cè)诜氯藱C(jī)器人方面的工作，其肌肉骨骼系統(tǒng)盡可能接近人類。我們基于這樣一種想法繼續(xù)進(jìn)行研究:對(duì)改善類人機(jī)器人至關(guān)重要的特征隱藏在人類的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過程之后。因此，我們結(jié)合了促進(jìn)人體肌肉骨骼系統(tǒng)保真度的元素。為了實(shí)現(xiàn)這些人形系統(tǒng)，我們根據(jù)我們的解剖學(xué)知識(shí)模仿了人類的肌肉骨骼結(jié)構(gòu)。就模擬人形機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則而言，我們的設(shè)計(jì)圍繞四個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域——身體比例、骨骼結(jié)構(gòu)、肌肉排列和關(guān)節(jié)性能——而人形機(jī)器人健四郎和健五郎就是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的。我們對(duì)它們的設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)估，將它們與人類或現(xiàn)有的人形機(jī)器人進(jìn)行了比較，并確認(rèn)這兩種人形機(jī)器人對(duì)人類具有很高的解剖學(xué)保真度。
柔性或剛性
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是基于剛性的改善，使人形機(jī)器人剛性和結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。更好地控制人形機(jī)器人處于精確位置；然而，使用這些方法，人形機(jī)器人往往體積龐大。另一方面，身體中靈活的部分，如脊柱，有助于產(chǎn)生類似人類的靈活運(yùn)動(dòng)，但它在結(jié)構(gòu)上往往較弱。我們認(rèn)為在靈活性（弱點(diǎn)）和剛性（優(yōu)點(diǎn)）之間存在一種平衡。我們認(rèn)為，為了使類人機(jī)器人更像人類，融入源自生物的靈活性比剛性更重要。因此，我們將人類的靈活性融入了類人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中。
未來應(yīng)用
我們相信，模擬人的類人機(jī)器人有潛力用于以前沒有考慮過的幾種新應(yīng)用。例如，人體肌肉骨骼模擬器可用于通過評(píng)估從現(xiàn)實(shí)世界中的模擬人形機(jī)器人接收的感官數(shù)據(jù)來獲取與人類的無形內(nèi)部身體相關(guān)的信息。這種類型的模擬器還可以通過應(yīng)用從人類系統(tǒng)中人工實(shí)現(xiàn)的控制程序來驗(yàn)證關(guān)于人類控制的假設(shè)，因?yàn)槿祟惸７碌念惾藱C(jī)器人具有與人類非常接近的結(jié)構(gòu)。這些工具可用于更深入地了解人體機(jī)制。
此外，其他實(shí)際應(yīng)用也是可能的。一個(gè)有趣的應(yīng)用是在汽車碰撞測(cè)試中使用的主動(dòng)碰撞測(cè)試假人，因?yàn)槟壳暗募偃酥荒軠y(cè)量被動(dòng)行為。一個(gè)模仿人類的人形機(jī)器人能夠通過肌肉驅(qū)動(dòng)來復(fù)制人類的反射行為。一個(gè)研究小組提出了肌肉骨骼人形機(jī)器人可用于醫(yī)學(xué)的可能性，例如用于組織移植（28）。如果一個(gè)人形機(jī)器人可以復(fù)制人類的動(dòng)作，那么由此產(chǎn)生的肌肉貢獻(xiàn)分析或運(yùn)動(dòng)過程中獲得的感官數(shù)據(jù)將使運(yùn)動(dòng)員或體育教練受益。此外，人形機(jī)器人肢體也有望用于其他領(lǐng)域，例如用于假肢或遠(yuǎn)程操作的人類智能體。
材料和方法
四個(gè)設(shè)計(jì)原則
我們正專注于我們的模擬人形機(jī)器人的全身運(yùn)動(dòng)能力，以實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)（例如，現(xiàn)實(shí)世界中用于人類運(yùn)動(dòng)分析的物理肌肉骨骼模擬器）。為了滿足這一要求并模仿人類，人類與類人機(jī)器人之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)相似性非常重要。我們綜合考慮了開發(fā)仿人機(jī)器人的以下因素，并決定將這四個(gè)原則作為我們的重點(diǎn)。
與人類相似的連桿長(zhǎng)度和質(zhì)量分布（換句話說，身體比例）提供了相似的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。從這些人形動(dòng)作中獲得的感覺數(shù)據(jù)與人類的感覺數(shù)據(jù)高度相關(guān)。此外，強(qiáng)烈的相似性也使這些類人機(jī)器人能夠適應(yīng)人類的環(huán)境，例如使用工具，穿人類的衣服或進(jìn)入汽車。
骨骼結(jié)構(gòu)的高度解剖學(xué)保真度對(duì)于模擬人體特征是有效的。人體關(guān)節(jié)不僅是單軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，而且是由骨骼之間的旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)組合而成的滾動(dòng)-滑動(dòng)關(guān)節(jié)（例如膝關(guān)節(jié)）。具有多個(gè)椎骨的脊柱關(guān)節(jié)可以有效地做出各種類似人類的姿勢(shì)和靈活的上半身運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)身體中類似人類的多個(gè)自由度對(duì)于在環(huán)境約束下的適應(yīng)性環(huán)境接觸或運(yùn)動(dòng)是有效的。
基于肌腱驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的基本方程τ = tGT和τ = tJF（其中τ是關(guān)節(jié)扭矩，T是肌肉張力，F(xiàn)是末端執(zhí)行器力，G是肌肉雅可比矩陣，J是雅可比矩陣），肌肉-關(guān)節(jié)-操作狀態(tài)映射對(duì)于控制肌肉骨骼機(jī)器人是必要的。肌肉排列對(duì)于決定這些映射特征很重要。解剖學(xué)上正確的肌肉排列可以在全身運(yùn)動(dòng)中以正確的趨勢(shì)提供肌肉貢獻(xiàn)。
關(guān)節(jié)性能與上述三個(gè)屬性相關(guān)聯(lián)，并根據(jù)全身運(yùn)動(dòng)決定人形性能。關(guān)節(jié)范圍和輸出功率分別由骨骼結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)力矩臂和肌肉輸出功率的組合決定。相似的關(guān)節(jié)范圍和關(guān)節(jié)輸出功率對(duì)于人形機(jī)器人進(jìn)行有用的人體運(yùn)動(dòng)分析至關(guān)重要。
如何設(shè)計(jì)一個(gè)仿人機(jī)器人
為了開發(fā)具有人類身體比例的人形機(jī)器人，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的使用非常重要。對(duì)HR P4（20）和HR P4-C（21）類人機(jī)器人的開發(fā)進(jìn)行了類似的研究。在我們的案例中，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)與人類相似的骨骼長(zhǎng)度和肢體形狀�？紤]到這一優(yōu)先事項(xiàng)，通過反復(fù)試驗(yàn)來設(shè)計(jì)和放置組件、肌肉執(zhí)行器、骨骼結(jié)構(gòu)和電子組件。
人形機(jī)器人的骨骼結(jié)構(gòu)是為了模仿人類的骨骼形狀、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)自由度而設(shè)計(jì)的。在設(shè)計(jì)過程中，我們首先研究了人類骨骼結(jié)構(gòu)，并提取了被認(rèn)為對(duì)類人機(jī)器人有用的基本人類骨骼機(jī)制和功能。然后，我們通過提取和關(guān)注某些功能，將生物復(fù)雜的人類關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為機(jī)械人形結(jié)構(gòu)。此外，我們還考慮了使我們能夠?qū)崿F(xiàn)重要功能的機(jī)械設(shè)計(jì)或元素。
要開發(fā)具有人類模仿肌肉排列的人類模仿人形機(jī)器人，該人形機(jī)器人應(yīng)配備盡可能多的肌肉執(zhí)行器；然而，必須在肌肉執(zhí)行器的數(shù)量和可用的設(shè)計(jì)空間之間進(jìn)行權(quán)衡。為了克服這一挑戰(zhàn)，我們采用了密集排列的肌肉執(zhí)行器。通過模塊化肌肉執(zhí)行器，我們能夠有效地實(shí)現(xiàn)全身多塊肌肉的運(yùn)動(dòng)。人形機(jī)器人的肌肉插入點(diǎn)是根據(jù)人類的肌肉插入點(diǎn)決定的。然而，由導(dǎo)線表達(dá)的肌肉只能模擬點(diǎn)插入，而不能模擬區(qū)域附著。采用平面肌肉來模擬局部附著或多點(diǎn)，以更正確地模擬人。
Kenshiro的發(fā)展
基于我們獲得的人體解剖學(xué)知識(shí)，Kenshiro整合了人體模擬肌肉骨骼結(jié)構(gòu)（1，29–31）。圖4顯示了Kenshiro的車身規(guī)格。對(duì)于Kenshiro的開發(fā)，目標(biāo)身體參數(shù)是13歲左右的日本男性的平均身體參數(shù)，即158厘米和50公斤。人體具有人類的多自由度結(jié)構(gòu)是很重要的，因?yàn)檫@提供了靈活性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。Kenshiro配備了幾個(gè)受人類啟發(fā)的獨(dú)特關(guān)節(jié)，如多脊椎關(guān)節(jié)（32個(gè)）、螺旋回家機(jī)構(gòu)（33個(gè)）和開放球體關(guān)節(jié)（34個(gè)）。脊柱關(guān)節(jié)為上半身提供了大范圍的運(yùn)動(dòng)。膝蓋中的螺絲歸位機(jī)制不僅提供俯仰自由度，還提供偏航自由度，從而在大腿骨處于坐姿約束下時(shí)實(shí)現(xiàn)腳趾的運(yùn)動(dòng)。肩關(guān)節(jié)中的開放球形關(guān)節(jié)通過肌肉和骨骼的粘附使關(guān)節(jié)能夠具有大范圍的運(yùn)動(dòng)。這些結(jié)構(gòu)允許機(jī)器人實(shí)現(xiàn)類似人類的行為，并有助于增加靈活性。Kenshiro的骨架結(jié)構(gòu)主要由機(jī)加工鋁合金（A5052）制成。對(duì)于需要三維（3D）復(fù)雜形狀的幾個(gè)零件，我們通過3D打印制造了這些零件。例如，蓋子和葉片骨分別由丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）塑料和不銹鋼【420SS、青銅（40%）】制成。肋條由鋁（AC4C）材料通過失蠟鑄造工藝制成。
肌肉執(zhí)行器由電機(jī)、機(jī)械部件、導(dǎo)線和傳感器組成，它們以機(jī)械方式組裝并模塊化，便于使用。我們?cè)诮∷睦傻恼麄�(gè)身體上排列這些肌肉，以實(shí)現(xiàn)與人類相似的肌肉排列。馬達(dá)是無刷直流（BLDC），幾乎所有肌肉的輸出功率為100 W，身體狹窄部位的輸出功率為40 W。肌肉長(zhǎng)度、張力和溫度可以從傳感器獲得。肌肉執(zhí)行器中的導(dǎo)線由電機(jī)纏繞，以復(fù)制肌肉收縮。這是一種名叫Dyneema的化學(xué)金屬絲，具有很強(qiáng)的抗摩擦性。復(fù)制人類肌肉平面的平面肌肉用于脊柱和頸部關(guān)節(jié)。在肌肉控制方面，通過實(shí)現(xiàn)受人類肌肉特性啟發(fā)的人工運(yùn)動(dòng)控制，可以使肌肉執(zhí)行器的行為類似于人類肌肉行為。我們還實(shí)施了肌肉-肌腱復(fù)合控制，以提供肌肉靈活性（35）和肌肉協(xié)作，以分擔(dān)多余肌肉的負(fù)荷（36）。
通過使用分布式力傳感器和人體上的仿人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)平衡控制。我們?yōu)橐蕾嚰∪鈴埩图怪募∪夤趋廊诵螜C(jī)器人實(shí)施了平衡策略（37）。為了控制肌肉骨骼人形機(jī)器人，表達(dá)肌肉長(zhǎng)度和關(guān)節(jié)角度之間關(guān)系的肌肉雅可比矩陣是必要的。提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來獲得肌肉雅可比矩陣，并實(shí)現(xiàn)了肌肉長(zhǎng)度和關(guān)節(jié)角度之間的雙向轉(zhuǎn)換（38）。為了克服較大的機(jī)器人模型誤差，使用真實(shí)傳感器數(shù)據(jù)而不是模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)是更可取的。
Kengoro的發(fā)展
在Kengoro的設(shè)計(jì)過程中，我們采用了多功能骨骼結(jié)構(gòu)的理念來實(shí)現(xiàn)人形性能和類人比例，并設(shè)計(jì)了傳感器-驅(qū)動(dòng)器集成肌肉模塊來改善肌肉控制。圖5顯示了Kengoro的車身規(guī)格。為了證明這些身體結(jié)構(gòu)的有效性，我們使用Kengoro進(jìn)行了幾次初步運(yùn)動(dòng)。
Kengoro是Kenshiro的后續(xù)版本，也是一個(gè)模仿人類的人形機(jī)器人，其解剖學(xué)設(shè)計(jì)與人類保持一致（39）。Kengoro的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)與環(huán)境接觸的動(dòng)作，這需要靈活的身體和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。因此，不僅脊椎中的多自由度很重要，末端執(zhí)行器中的多自由度也很重要，因?yàn)槿祟愖匀粫?huì)用手和腳接觸環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，為Kengoro配備了仿人五指手腳。腳具有多自由度和多傳感器，以促進(jìn)對(duì)地面的自然適應(yīng)（40）。腳趾驅(qū)動(dòng)足夠強(qiáng)大，可以在雙手的支持下進(jìn)行腳尖站立以保持平衡。腳趾由連接到小腿連桿上的90瓦電機(jī)的肌肉驅(qū)動(dòng)。此外，手可以承受其身體的重量，因?yàn)槠淝氨奂∪饪梢援a(chǎn)生較大的抓握力（41）。前臂由具有傾斜關(guān)節(jié)軸的橈尺關(guān)節(jié)組成，并擴(kuò)展了各種可能的手部運(yùn)動(dòng)，例如在運(yùn)動(dòng)或靈巧任務(wù)中的運(yùn)動(dòng)（42）。從生理學(xué)角度來看，開發(fā)了一種帶有人工排汗的骨骼結(jié)構(gòu)來釋放馬達(dá)的熱量（43）。Kengoro的骨架結(jié)構(gòu)由超硬鋁（A7075）和碳纖維增強(qiáng)塑料組合而成，強(qiáng)度更高、重量更輕。身體的幾個(gè)部分，比如外殼，都是通過3D打印制成的，就像Kenshiro一樣。生命電池被植入腿部的骨骼結(jié)構(gòu)中，它們可以在沒有任何電源電纜的情況下移動(dòng)約20分鐘。
通過使用兩種類型的傳感器-驅(qū)動(dòng)器集成肌肉模塊（42，44）實(shí)現(xiàn)了使用力的肌肉控制。這是一個(gè)一體化集成模塊，由電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和用于力控制的傳感器組成。電機(jī)是BLDC，基礎(chǔ)肌肉的輸出功率為90、100或120W。對(duì)于身體的狹窄部位。例如前臂，采用了60w BLDC電機(jī)。該模塊的使用為Kengoro提供了積極的靈活性。不僅實(shí)現(xiàn)了肌肉空間，還實(shí)現(xiàn)了用于靈活和自適應(yīng)環(huán)境接觸的關(guān)節(jié)空間扭矩控制器（45）�；谝种萍∪廪卓怪泄餐湛s的人類相互神經(jīng)支配，我們實(shí)施了拮抗劑抑制控制，這有助于在廣泛的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)進(jìn)行手臂運(yùn)動(dòng)（46）。
原文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aaq0899
參考資料：
1 Y. Nakanishi, S. Ohta, T. Shirai, Y. Asano, T. Kozuki, Y. Kakehashi, H. Mizoguchi, T. Kurotobi, Y. Motegi, K. Sasabuchi, J. Urata, K. Okada, I. Mizuuchi, M. Inaba, Design approach of biologically-inspired musculoskeletal humanoids. Int. J. Adv. Robot. Syst. 10, 1–13 (2013).
2 M. Inaba, I. Mizuuchi, R. Tajima, T. Yoshikai, D. Sato, K. Nagashima, H. Inoue, Building spined muscle-tendon humanoid. Robot. Res. 6, 113–127 (2003).
3 I. Mizuuchi, T. Yoshikai, Y. Sodeyama, Y. Nakanishi, A. Miyadera, T. Yamamoto, T. Niemela, M. Hayashi, J. Urata, Y. Namiki, T. Nishino, M. Inaba, Development of musculoskeletal humanoid Kotaro, in Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE, 2006), pp. 82–87.
4 I. Mizuuchi, Y. Nakanishi, Y. Sodeyama, Y. Namiki, T. Nishino, N. Muramatsu, J. Urata, K. Hongo, T. Yoshikai, M. Inaba, An advanced musculoskeletal humanoid Kojiro, in Proceedings of the 2007 7th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2007), pp. 294–299.
5 Y. Nakanishi, T. Izawa, M. Osada, N. Ito, S. Ohta, J. Urata, M. Inaba, Development of musculoskeletal humanoid Kenzoh with mechanical compliance changeable tendons by nonlinear spring unit, in Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (IEEE, 2011), pp. 2384–2389.
6 O. Holland, R. Knight, The anthropomimetic principle, in Proceedings of the AISB06 Symposium on Biologically Inspired Robotics (2006), pp. 1–8.
7 D. Gamez, R. Newcombe, O. Holland, R. Knight.Two simulation tools for biologically inspired virtual robotics (2006), in Proceedings of the IEEE 5th Chapter Conference on Advances in Cybernetic Systems (IEEE, 2006), pp. 85–90.
8 H. Gravato Marques, M. Jantsh, S. Wittmeier, O. Holland, C. Alessandro, A. Diamond, M. Lungarella, Rob Knight, ECCE1: The first of a series of anthropomimetic musculoskeletal upper torsos, in Proceedings of the 2010 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2010), pp. 391–396.
9 A. Diamond, R. Knight, D. Devereux, O. Holland, Anthropomimetic robots: Concept, construction and modelling. Int. J. Adv. Robot. Syst. 9, 1–14 (2012).
10 S. Wittmeier, C. Alessandro, N. Bascarevic, K. Dalamagkidis, D. Devereux, A. Diamond, M. J?ntsch, K. Jovanovic, R. Knight, H. G. Marques, P. Milosavljevic, B. Mitra, B. Svetozarevic, V. Potkonjak, R. Pfeifer, A. Knoll, O. Holland, Towards anthropomimetic robotics: Development, simulation, and control of a musculoskeletal torso. Artif. Life 19, 171–193 (2013).
11 M. Jantsch, C. Schmaler, S. Wittmeier, K. Dalamagkidis, A. Knoll, A scalable joint-space controller for musculoskeletal robots with spherical joints, in Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (IEEE, 2011), pp. 2211–2216.
12 M. Jantsch, S. Wittmeier, K. Dalamagkidis, A. Panos, F. Volkart, A. Knoll, Anthrob - A printed anthropomimetic robot in Proceedings of the 2013 13th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2013), pp. 342–347.
13 M. Kouchi, M. Mochimaru, H. Iwasawa, S. Mitani, Anthropometric database for Japanese population 1997-98 Japanese Industrial Standards Center (AIST, MITI, 2000).
14 M. Kouchi, M. Mochimaru, 2006: AIST/HQL human size·shape database 2003 (AIST H18PRO-503, 2006).
15 Y. Nakamura, K. Yamane, G. Suwa, O. Kondou, M. Kouchi, K. Kawachi, M. Mochimaru, 2008: Skeletal shape data of adult male (AIST H20PRO-905, 2008).
16 MEXT. Statistical data of junior high school students H24, 2012.
17 D. A. Neumann, Kinesiology of the Musculoskeletal System: Foundations for Physical Rehabilitation, (Mosby, 2002).
18 K. Akachi, T. Isozumi, M. Hirata, S. Ohta, M. Ishizaki, “Development of the Humanoid Robot, HRP-2” (in Japanese) (Technical Report Kawada Gihou Vol. 23, 2004).
19 K. Kaneko, K. Harada, F. Kanehiro, G. Miyamori, K. Akachi, Humanoid Robot HRP-3, in Proceedings of the 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2008), pp. 2471–2478.
20 K. Kaneko, K. Akachi, F. Kanehiro, G. Miyamori, M. Morisawa, A. Hayashi, N. Kanehira, Humanoid robot HRP-4-humanoid robotics platform with lightweight and slim body, in Proceedings of the 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2011), pp. 4400–4407.
21 K. Kaneko, F. Kanehiro, M. Morisawa, K. Miura, S. Nakaoka, S. Kajita, Cybernetic human HRP-4C, in Proceedings of the 2009 9th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2009), pp. 7–14.
22 Y. Ogura, H. Aikawa, K. Shimomura, A. Morishima, H.-o. Lim, A. Takanishi, Development of a new humanoid robot WABIAN-2, in Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation (IEEE, 2006), pp. 76–81.
23 M. Hirose, K. Ogawa, Honda humanoid robots development. Philos. Trans. A Math. Phys. Eng. Sci. 365, 11–19 (2007).
24 M. Fallon, S. Kuindersma, S. Karumanchi, M. Antone, T. Schneider, H. Dai, C. Porez D’Arpino, R. Deits, M. DiCicco, D. Fourie, T. Koolen, P. Marion, M. Posa, A. Valenzuela, K.-T. Yu, J. Shah, K. Iagnemma, R. Tedrake, S. Teller, “An architecture for online affordance-based perception and whole-body planning.” (Technical Report MIT-CSAIL-TR-2014-003, MIT Computer Science and Artificial Intelligence Lab. CSAIL, 2014).
25 I.-W. Park, J.-Y. Kim, J. Lee, J.-H. Oh, Mechanical design of humanoid robot platform KHR-3(KAIST humanoid robot - 3: HUBO), in Proceedings of the 2005 5th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2005), pp. 321–326.
26 A. D. Glanville, G. Kreezer, The maximum amplitude and velocity of joint movements in normal male human adults. Human Biol. 9, 197–211 (1937).
27 W. T. Dempster, “Space requirements of the seated operator.” (Technical Report WADC-TR-55-159, Wright-Patterson Air Force Base, 1955).
28 P.-A. Mouthuy, A. Carr, Growing tissue grafts on humanoid robots: A future strategy in regenerative medicine? Sci. Robot. 2, eaam5666 (2017).
29 Y. Nakanishi, Y. Asano, T. Kozuki, H. Mizoguchi, Y. Motegi, M. Osada, T. Shirai, J. Urata, K. Okada, M. Inaba, Design concept of detail musculoskeletal humanoid “Kenshiro” -toward a real human body musculoskeletal simulator, in Proceedings of the 2012 12th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2012), pp. 1–6.
30 Y. Asano, H. Mizoguchi, T. Kozuki, Y. Motegi, M. Osada, J. Urata, Y. Nakanishi, K. Okada, M. Inaba. Lower thigh design of detailed musculoskeletal humanoid “Kenshiro”, in Proceedings of the 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2012), pp. 4367–4372.
31 T. Kozuki, H. Mizoguchi, Y. Asano, M. Osada, T. Shirai, U. Junichi, Y. Nakanishi, K. Okada, M. Inaba, Design methodology for thorax and shoulder of human mimetic musculoskeletal humanoid Kenshiro -a thorax with rib like surface, in Proceedings of the 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2012), pp. 3687–3692.
32 T. Kozuki, M. Yotaro, K. Kawasaki, Y. Asano, T. Shirai, S. Ookubo, Y. Kakiuchi, K. Okada, M. Inaba, Development of musculoskeletal spine structure that fulfills great force requirement in upper body kinematics, in Proceedings of the 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2015), pp. 2768–2773.
33 Y. Asano, H. Mizoguchi, T. Kozuki, Y. Motegi, J. Urata, Y. Nakanishi, K. Okada, M. Inaba, Achievement of twist squat by musculoskeletal humanoid with screw-home mechanism, in Proceedings of the 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2013), pp. 4649–4654.
34 T. Kozuki, Y. Motegi, T. Shirai, Y. Asano, J. Urata, Y. Nakanishi, K. Okada, M. Inaba, Design of upper limb by adhesion of muscles and bones—Detail human mimetic musculoskeletal humanoid Kenshiro, in Proceedings of the 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2013), pp. 935–940.
35 T. Kozuki, T. Shirai, Y. Asano, Y. Motegi, Y. Kakiuchi, K. Okada, M. Inaba, Muscle-tendon complex control by “tension controlled muscle” and “non-linear spring ligament” for real world musculoskeletal body simulator Kenshiro, in Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (IEEE, 2014), pp. 875–880.
36 Y. Asano, T. Shirai, T. Kozuki, Y. Motegi, Y. Nakanishi, K. Okada, M. Inaba, Motion generation of redundant musculoskeletal humanoid based on robot-model error compensation by muscle load sharing and interactive control device, in Proceedings of the 2013 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2013), pp. 336–341.
37 Y. Asano, S. Ookubo, T. Kozuki, T. Shirai, K. Kimura, S. Nozawa, Y. Kakiuchi, K. Okada, M. Inaba, Spine balancing strategy using muscle ZMP on musculoskeletal humanoid Kenshiro, in Proceedings of the 2015 International Symposium on Robotics Research (Springer, 2015), pp. 1–16.
38 S. Ookubo, Y. Asano, T. Kozuki, T. Shirai, K. Okada, M. Inaba, Learning nonlinear muscle-joint state mapping toward geometric model-free tendon driven musculoskeletal robots, in Proceedings of the 2015 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2015), pp. 765–770.
39 Y. Asano, T. Kozuki, S. Ookubo, M. Kawamura, S. Nakashima, T. Katayama, I. Yanokura, T. Hirose, K. Kawaharazuka, S. Makino, Y. Kakiuchi, K. Okada, M. Inaba, Human mimetic musculoskeletal humanoid Kengoro toward real world physically interactive actions, in Proceedings of the 2016 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2016), pp. 876–883.
40 Y. Asano, S. Nakashima, T. Kozuki, S. Ookubo, I. Yanokura, Y. Kakiuchi, K. Okada, M. Inaba, Human mimetic foot structure with multi-DOFs and multi-sensors for musculoskeletal humanoid Kengoro, in Proceedings of the 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2016), pp. 2419–2424.
41 S. Makino, K. Kawaharazuka, M. Kawamura, Y. Asano, K. Okada, M. Inaba, High-power, flexible, robust hand: Development of musculoskeletal hand using machined springs and realization of self-weight supporting motion with humanoid, in Proceedings of the 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2017), pp. 1187–1192.
42 K. Kawaharazuka, S. Makino, M. Kawamura, Y. Asano, K. Okada, M. Inaba, Human mimetic forearm design with radioulnar joint using miniature bone-muscle modules and its applications, in Proceedings of the 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2017), pp. 4956–4962.
43 T. Kozuki, H. Toshinori, T. Shirai, S. Nakashima, Y. Asano, Y. Kakiuchi, K. Okada, M. Inaba, Skeletal structure with artificial perspiration for cooling by latent heat for musculoskeletal humanoid Kengoro, in Proceedings of the 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2016), pp. 2135–2140.
44 Y. Asano, T. Kozuki, S. Ookubo, K. Kawasaki, T. Shirai, K. Kimura, K. Okada, M. Inaba, A sensor-driver integrated muscle module with high-tension measurability and flexibility for tendon-driven robots, in Proceedings of the 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2015), pp. 5960–5965.
45 M. Kawamura, S. Ookubo, Y. Asano, T. Kozuki, K. Okada, M. Inaba, A joint-space controller based on redundant muscle tension for multiple DOF joints in musculoskeletal humanoids, in Proceedings of the 2016 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2016), pp. 814–819.
46 K. Kawaharazuka, S. Makino, M. Kawamura, Y. Asano, K. Okada, M. Inaba, Antagonist inhibition control in redundant tendon-driven structures based on human reciprocal innervation for wide range limb motion of musculoskeletal humanoids. IEEE Robot. Autom. Lett. 2, 2119–2126 (2017).
47 D. A. Winter, Biomechanics and Motor Control of Human Movement (John Wiley & Sons, Inc., ed. 4, 2009).
48 R. Drillis, R. Contini, “Body segment parameters” (Technical Report 1166–03, New York University, School of Engineering and Science, Research Division, New York under contract with Office of Vocational Rehabilitation, Department of Health, Education and Welfare, September 1966).
49 L. K. Osterkamp, Current perspective on assessment of human body proportions of relevance to amputees. J. Am. Diet. Assoc. 95, 215–218 (1995).
50 C. E. Clauser, J. T. McConville, J. W. Young, “Weight, volume, and center of mass of segments of the human body” (Technical Report AMRL-TR-69-70, US Air Force, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, August 1969).
51 R. Niiyama, S. Nishikawa, Y. Kuniyoshi, Athlete robot with applied human muscle activation patterns for bipedal running, in Proceedings of the 2010 IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots (IEEE, 2010), pp. 498–503.
52 K. Ogawa, K. Narioka, K. Hosoda, Development of whole-body humanoid “Pneumat-BS” with pneumatic musculoskeletal system, in Proceedings of the 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IEEE, 2011), pp. 4838–4843.
|
