運(yùn)動生物力學(xué)在仿人機(jī)器人研發(fā)中的應(yīng)用

楊 辰，曲 峰，萬祥林

研發(fā)仿人機(jī)器人最終的目的是使機(jī)器人的運(yùn)動更貼近人類的動作軌跡，同時獲得與人體一樣良好的節(jié)能性和穩(wěn)定性，從而協(xié)助或代替人類完成醫(yī)療、工業(yè)、日常生活等相關(guān)領(lǐng)域的工作。從運(yùn)動生物力學(xué)角度出發(fā)，了解人類動作基本規(guī)律、能量優(yōu)化原理以及穩(wěn)定控制機(jī)理，其理論研究和技術(shù)手段都可以在仿生學(xué)層面上對仿人機(jī)器人的理論探索和樣機(jī)研發(fā)有重要幫助。本文對仿人機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域作出概述，并總結(jié)運(yùn)動生物力學(xué)在仿人機(jī)器人本體設(shè)計和研究方向上的應(yīng)用。

1 仿人機(jī)器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀

1.1 仿人機(jī)器人的發(fā)展歷程

仿人機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)70年代，在長達(dá)40年的發(fā)展歷程中，全世界相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者不斷進(jìn)行著針對于仿人機(jī)器人的理論探索和樣機(jī)研制。行走機(jī)構(gòu)是仿人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，對于仿人機(jī)器人的研究也是從對行走機(jī)構(gòu)的研究開始[1]。目前仿人機(jī)器人根據(jù)步行方式的不同可以分為主動型和被動型兩種，主動型仿人機(jī)器人是指在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處設(shè)有驅(qū)動裝置，通過控制方法來規(guī)劃關(guān)節(jié)運(yùn)動的實際軌跡與期望軌跡曲線重合；被動型仿人機(jī)器人相比主動型減少了能源的輸入，只依靠少數(shù)幾個關(guān)節(jié)的能量輸入或完全依靠自身的重力完成行走。

1.1.1 國外仿人機(jī)器人的發(fā)展

在理論研究方面，Vukobratovic于1969年提出了著名的雙足步行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性判據(jù)ZMP（Zero Moment Point）理論[2]，為仿人機(jī)器人姿態(tài)平衡的控制奠定了重要的理論基礎(chǔ)；Hemami等人[3]隨后提出了仿人機(jī)器人模型的簡化方法，進(jìn)一步開展了機(jī)器人穩(wěn)定控制的相關(guān)研究。在樣機(jī)研制方面，早稻田大學(xué)最早研發(fā)的模擬人體下肢結(jié)構(gòu)WL-1已經(jīng)基本具備了雙足行走的功能，在此基礎(chǔ)上他們又研制出世界上第一個可以完成主動行走的雙足機(jī)器人WL-5以及第一個具備機(jī)械手臂、視聽裝置的仿人機(jī)器人WABOT-1；本田公司設(shè)計研發(fā)的ASIMO是當(dāng)今雙足機(jī)器人樣機(jī)技術(shù)的最高水平，通過步行技術(shù)的改進(jìn)使其更接近人類的行走方式，并具備了避讓障礙、跑步和邊行走邊轉(zhuǎn)彎的功能；日本政府于1998年啟動了HRP（Humanoid Robot Project）項目，其最具代表的 HRP系列機(jī)器人具有順勢倒下并爬起、在不平整地面行走、協(xié)助人類操作等功能；美國在仿人機(jī)器人的研發(fā)領(lǐng)域也取得了很大成功，波士頓動力公司推出的PETMAN軍用機(jī)器人足底模擬人類跖趾關(guān)節(jié)的設(shè)計，使其在步行時腳趾和腳跟可以抬起，受到外界撞擊干擾也不會倒下，麻省理工大學(xué)研發(fā)的被動步行機(jī)器人M2能夠以極小的功耗步行。

1.1.2 國內(nèi)仿人機(jī)器人的發(fā)展

我國對雙足行走機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代中期，并在863計劃和國家自然科學(xué)基金的支持下取得一系列進(jìn)展。國防科技大學(xué)研制出我國第一臺仿人機(jī)器人“先行者”，可完成平地移動、走臺階、轉(zhuǎn)彎和擺臂等各種類人步態(tài)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的HIT-3可實現(xiàn)穩(wěn)定行走；北京理工大學(xué)研發(fā)的“匯童”仿人機(jī)器人可模仿人類完成太極拳、刀術(shù)等各種復(fù)雜動作。

1.2 仿人機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

在理論層面上，為了使仿人機(jī)器人獲得更好的步行穩(wěn)定性，各國學(xué)者對機(jī)器人以及人類自身的步行運(yùn)動都進(jìn)行了深入的研究，以期得到更為優(yōu)化的控制理論?？刂评碚撝饕枰鉀Q兩方面的問題：一方面是要利用運(yùn)動規(guī)劃算法，產(chǎn)生各關(guān)節(jié)正確的轉(zhuǎn)動序列，并獲得實現(xiàn)方法；另一方面是要滿足機(jī)器人的穩(wěn)定條件。現(xiàn)階段仿人機(jī)器人主要的控制理論包括ZMP控制方法、倒立擺特性、基于人類步行數(shù)據(jù)的規(guī)劃/控制。

在硬件層面上，建立在高科技基礎(chǔ)上的硬件系統(tǒng)如材料與機(jī)構(gòu)、驅(qū)動電機(jī)、傳感器對于機(jī)器人的設(shè)計及構(gòu)造十分重要。通過適宜的材料構(gòu)建仿人機(jī)器人機(jī)構(gòu)，根據(jù)本體傳感器的信息，通過驅(qū)動電機(jī)實時調(diào)整身體姿態(tài)，并對理論層面的步態(tài)進(jìn)行修正，從而完成運(yùn)動任務(wù)。

2 仿人機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 醫(yī)療

仿人機(jī)器人在外科手術(shù)上的應(yīng)用，可以突破傳統(tǒng)的微創(chuàng)手術(shù)，讓手術(shù)精度和水平提高到新的高度；在康復(fù)服務(wù)中的應(yīng)用包括醫(yī)療服務(wù)和老人看護(hù)等，實現(xiàn)了人性化的醫(yī)療環(huán)境[4]；外骨骼系統(tǒng)是融合了仿生學(xué)、控制、傳感器、驅(qū)動和材料等相關(guān)技術(shù)的高科技產(chǎn)品，可以有效地幫助殘疾人恢復(fù)肢體功能，也可以幫助特殊職業(yè)人群完成高難度、大載荷的作業(yè)[5]。

2.2 工業(yè)

模擬人類上肢自由度和靈活度的機(jī)械手臂在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，主要完成焊接、搬運(yùn)、噴涂、裝配、測量及檢驗等高危險度、高復(fù)雜性的作業(yè)。

2.3 軍事

主要讓仿人機(jī)器人執(zhí)行一些自動的偵察與控制工作，尤其是一些相對較為危險的任務(wù)，比如值守、巡邏、拆彈及掃雷等。

2.4 娛樂

主要實現(xiàn)機(jī)器人模擬人類的動作軌跡，如完成踢足球、打乒乓球、彈鋼琴等動作。

3 仿人機(jī)器人的生物力學(xué)設(shè)計

3.1 自由度——模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動

在機(jī)器人自由度的配置中，研究人員多依據(jù)人體解剖學(xué)并參照機(jī)器人本體特點設(shè)計其自由度。為了能自由控制腳掌的位置和姿態(tài)，機(jī)器人的研發(fā)過程中設(shè)計出許多不同自由度的行走機(jī)器人，并成功實現(xiàn)了穩(wěn)定行走。從國內(nèi)外研究中比較成熟的仿人機(jī)器人來看，大部分仿人機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)都采用6個自由度的分配方式：髖關(guān)節(jié)3個自由度，膝關(guān)節(jié)1個自由度，踝關(guān)節(jié)2個自由度。一般情況下單側(cè)下肢有5個自由度就可以完成基本的行走，而髖關(guān)節(jié)增加的1個自由度可使行走動作更加擬人化[1]。

同時，為了能更好地模擬人類作業(yè)，仿人機(jī)器人在上肢的設(shè)計中也要充分考慮人類的形態(tài)結(jié)構(gòu)，比較典型的仿人機(jī)器人上肢自由度配置方式為：肩關(guān)節(jié)3個自由度，肘關(guān)節(jié)1個自由度，腕關(guān)節(jié)3個自由度。肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動能帶動整只手臂運(yùn)動，通過較小的角度就可以實現(xiàn)較大的肢體末端移動距離；肘關(guān)節(jié)用以實現(xiàn)肢體末端可以到達(dá)靠近軀干的距離點；腕關(guān)節(jié)用以實現(xiàn)肢體末端的靈活性，有的仿人機(jī)器人或者機(jī)械臂增加了手指的自由度以完成更復(fù)雜的任務(wù)。

軀干上腰部如采用1個自由度對某些全身運(yùn)動的動作規(guī)劃和跑步都有很重要的作用[6]；頸部如采用1個自由度可以增大機(jī)器人的視覺識別范圍。

3.2 驅(qū)動方式——模擬肌肉

目前機(jī)器人關(guān)節(jié)的主要驅(qū)動方式有液壓、氣動、伺服電機(jī)驅(qū)動等，液壓驅(qū)動控制復(fù)雜、成本高，氣動驅(qū)動精確性差，因此電機(jī)驅(qū)動還是目前仿人機(jī)器人主要的驅(qū)動方式。同時，為了使仿人機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動裝置達(dá)到精確、簡易、低耗能和低污染的要求，科研人員也廣泛尋找新的方向進(jìn)行研究，人工肌肉和關(guān)節(jié)驅(qū)動結(jié)構(gòu)成為研究的主要方面[7]。人工肌肉是一種具有類似人類肌肉輸出特性的柔性驅(qū)動器，參考人類肌肉的運(yùn)動原理設(shè)計而成。

根據(jù)人體解剖學(xué)和生物力學(xué)原理，機(jī)器人研究人員設(shè)計出空氣肌肉組織，并提出了雙關(guān)節(jié)肌肉、拮抗肌群等設(shè)計思路。1998年英國的研究小組在人體生理學(xué)和人體解剖學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究，用空氣肌肉組織模仿人類肌肉[8]。根據(jù)人體的肌肉大多跨過兩個關(guān)節(jié)或以上這一解剖特性，Saito等人[9]在雙足機(jī)器人的髖、膝關(guān)節(jié)處設(shè)計了一個雙關(guān)節(jié)驅(qū)動，該設(shè)計增加了力的輸出，并將肌肉力量有效地分配到四肢。同時還有一些利用形狀記憶合金模擬人體關(guān)節(jié)和肌肉性能的研究[10,11]。張江濤等人也提出了一種新型的仿人肢體驅(qū)動結(jié)構(gòu)[7]，他注意到人體通過主動和拮抗肌群的共同作用驅(qū)動關(guān)節(jié)運(yùn)動，因此他在機(jī)器人上臂運(yùn)動方向兩側(cè)安裝多個小巧的肌肉單元結(jié)構(gòu)，以此模擬人體肌肉的工作方式。如果一側(cè)肌肉單元作為屈肌，則另一側(cè)肌肉單元就為伸肌，二者的共同驅(qū)動完成一次關(guān)節(jié)運(yùn)動，這種屈伸肌肉單元的同步收縮可以將關(guān)節(jié)固定在一個特定的位置上，因此可以有效地維持關(guān)節(jié)位置的精確性和穩(wěn)定性。

3.3 傳感器——模擬本體感覺

仿人機(jī)器人中安裝了大量傳感器，通過傳感器獲得關(guān)節(jié)角度、姿態(tài)、力、力矩、視覺、聽覺、接近覺、觸覺等信息。其作用在于即使理論計算出穩(wěn)定的行走步態(tài)，但由于外界多種不穩(wěn)定因素的存在，導(dǎo)致實際行走過程中會出現(xiàn)步態(tài)的偏差，因此機(jī)器人需要依據(jù)各種傳感器收集本體以及外部的信息并加反饋控制，以保證自身穩(wěn)定性。在某種程度上，機(jī)器人的穩(wěn)定控制就是基于傳感器的，這與人類的本體感覺十分相像。

人體在行走過程中，足部的感受器獲得接觸面形狀、反作用力大小和方向等信息，反饋到神經(jīng)中樞作出判斷從而調(diào)節(jié)身體平衡，與此類似，仿人機(jī)器人足底安置六維力/力矩傳感器，獲得3個方向上力和力矩信息，實現(xiàn)準(zhǔn)確控制。而在一些復(fù)雜的環(huán)境中，除了觸覺的感知外，對姿態(tài)信息的感知也尤為重要。足部姿態(tài)對于不平整地面行走、轉(zhuǎn)彎、上/下坡和上/下樓梯的穩(wěn)定控制都有重要作用[12]，軀干姿態(tài)信息對于行走穩(wěn)定性也非常重要。

3.4 足部結(jié)構(gòu)

足部是仿人機(jī)器人在行走過程中唯一與地面接觸的部位，通過足部傳感器對地面反作用力和力矩的反饋來驅(qū)動踝關(guān)節(jié)圍繞著地點產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而更好地控制機(jī)器人行走的穩(wěn)定性，同時又提供足夠的摩擦力用以推進(jìn)機(jī)器人向前行進(jìn)。在一些樣機(jī)的研發(fā)中，科研人員根據(jù)人體跖趾關(guān)節(jié)的提示在足部結(jié)構(gòu)中加入了主動腳趾，從而對ZMP進(jìn)行微調(diào)，并提升了行走的步幅和速度，也更易于完成全身動作[13]。另一些樣機(jī)研發(fā)中借鑒了人體足部的緩沖特性，將機(jī)器人足部改成雙重結(jié)構(gòu)，這樣就很好地避免了著地沖擊力或不平整地面的干擾而引起的足底打滑或震顫[14]。

4 生物力學(xué)在仿人機(jī)器人研發(fā)中的研究方向及手段

4.1 步態(tài)規(guī)劃

步態(tài)規(guī)劃是指預(yù)先設(shè)定仿人機(jī)器人各個關(guān)節(jié)角度的時間序列，并用角度和時間的函數(shù)來表示，從而使機(jī)器人完成期望的步行運(yùn)動，它是一種關(guān)節(jié)運(yùn)動在空間和時間上的協(xié)調(diào)關(guān)系。步態(tài)規(guī)劃的基本原理是先根據(jù)理想的步行的要求和環(huán)境規(guī)劃出各關(guān)節(jié)的位置軌跡，然后通過逆運(yùn)動學(xué)模型計算出各關(guān)節(jié)的角度軌跡[15]。

在步行機(jī)器人的研發(fā)過程中，機(jī)器人的步態(tài)逐步向著擬人化的方向發(fā)展，一方面是其下肢步行結(jié)構(gòu)的設(shè)計借鑒人類下肢，另一方面是其步態(tài)規(guī)劃方法可以借鑒人類步態(tài)特征。因此基于仿生運(yùn)動學(xué)的步態(tài)規(guī)劃方法得到發(fā)展，此方法將儀器捕獲的人類步行運(yùn)動數(shù)據(jù)（HMCD）應(yīng)用到仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃上，本田團(tuán)隊通過分析人類步行時各關(guān)節(jié)相互抑制和協(xié)調(diào)的規(guī)律，利用得到的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)規(guī)劃出 ASIMO的步態(tài)[16]；Zhang等人[17]通過采集人類行走的運(yùn)動數(shù)據(jù)并進(jìn)行修正，規(guī)劃出BHR-2的步態(tài)。

基于仿生運(yùn)動學(xué)的步態(tài)規(guī)劃法不需設(shè)定大量參數(shù)，其可行性完全依賴于儀器捕捉的運(yùn)動數(shù)據(jù)，但在質(zhì)量分布、動力學(xué)特性和驅(qū)動方式等方面仿人機(jī)器人與人都存在很大差異，同時由于不同機(jī)器人的實際參數(shù)不同，也會導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)無法共享[15]。因此，不能直接將采集到的人類步行數(shù)據(jù)直接應(yīng)用在機(jī)器人身上，而應(yīng)通過數(shù)據(jù)分析研究人類步行原理，將基本的原理特征應(yīng)用于仿人機(jī)器人來規(guī)劃合適的步態(tài)。隨著生物力學(xué)相關(guān)學(xué)者對人類行走機(jī)理的研究與了解，以及相關(guān)采集設(shè)備和手段的提高與完善，基于仿生運(yùn)動學(xué)的步態(tài)規(guī)劃法將成為仿人機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃的一個主要發(fā)展方向。

4.2 穩(wěn)定控制

仿人機(jī)器人的研究領(lǐng)域中，主要的穩(wěn)定性判據(jù)是ZMP始終保持在支撐區(qū)域內(nèi)，它距離支撐區(qū)域的中心越近，機(jī)器人的穩(wěn)定性也越好。ZMP是指地面反作用力在腳與地面的接觸點上的等效力矩水平分量為零，由此定義可知ZMP與COP是等價的[18]。但在另一層面，真實的雙足步行運(yùn)動姿態(tài)并不始終保持平衡，人類在快速步行或者跑步的運(yùn)動中也不會遵循ZMP判據(jù)，即使出現(xiàn)不穩(wěn)定的姿態(tài)也可以通過正常邁步恢復(fù)穩(wěn)定的步行運(yùn)動。因此ZMP判據(jù)是一種比較保守的穩(wěn)定控制方法，限制了仿人機(jī)器人基礎(chǔ)理論的研究和樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展。而人類在快速步行、高處落地、外干擾等過程中都表現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性，提示相關(guān)領(lǐng)域的科研人員可以通過對人體穩(wěn)定控制的研究，了解在不同場景和動作下人體的穩(wěn)定控制機(jī)理，這有助于完善仿人機(jī)器人的穩(wěn)定控制理論和提高仿人機(jī)器人的樣機(jī)研發(fā)水平。

4.3 能量優(yōu)化

機(jī)器人主要的能量損失發(fā)生在足部與地面的碰撞階段，如何減少這種能量消耗也是仿人機(jī)器人研究領(lǐng)域的重點。研究人員根據(jù)人體足部的功能，在機(jī)器人足底安置緩沖裝置[19]，或者擴(kuò)大足側(cè)部和后部的支撐區(qū)域[20]，以減小碰撞階段沖擊力對于機(jī)器人能量損失的影響。學(xué)者認(rèn)為導(dǎo)致主動型仿人機(jī)器人行走能耗過高的主要原因在于其驅(qū)動方式不符合人類的生物力學(xué)特性[21]，趙九洲總結(jié)人類步行的能量節(jié)省化特點，認(rèn)為人類步行時在雙支撐階段進(jìn)行能量輸入，在單支撐階段近似被動特征，他根據(jù)這種充分利用自身被動特性以及穩(wěn)定特性的原理，提出了一種自然步態(tài)的生成方法，并通過模擬關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特性而實現(xiàn)對機(jī)器人的控制[22]。同時，當(dāng)前機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計多是上肢沒有擺動或者足底沒有跖趾關(guān)節(jié)，一方面這種設(shè)計是否會在人類身上體現(xiàn)出能量消耗的差異，另一方面如果人以類似行為行走是否可以得到一些參數(shù)或特征為此類型機(jī)器人提供實用性幫助，也成為了學(xué)者研究的重點[23,24]。

4.4 動作設(shè)計

動作設(shè)計和規(guī)劃的目的是為了使機(jī)器人更加擬人化，從而更好地協(xié)同人類完成工作，或者達(dá)到娛樂效果。但是對于復(fù)雜動作采用建立運(yùn)動解析方程并求解運(yùn)動軌跡的方法難度大且復(fù)雜，因此基于人體運(yùn)動數(shù)據(jù)的動作設(shè)計方法就成為了規(guī)劃仿人機(jī)器人復(fù)雜動作的有效手段[25]。

隨著運(yùn)動捕捉技術(shù)的快速發(fā)展和對機(jī)器人動作設(shè)計要求的提高，越來越多的研究人員采用基于運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的動作設(shè)計方法，實現(xiàn)仿人機(jī)器人的擬人化動作。一般情況下，基于運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的動作設(shè)計方法分為人體的運(yùn)動捕捉、建立人—機(jī)簡化模型、機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)匹配和方法的有效性驗證4個步驟。Kim等人[26]通過采集人體上肢的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)，并使用數(shù)學(xué)方法對其進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)而使仿人機(jī)器人能夠模擬人體上肢運(yùn)動軌跡進(jìn)行運(yùn)動。Yamane等人[27]提出了基于人體運(yùn)動數(shù)據(jù)的仿人機(jī)器人全身動作設(shè)計方法。Pollard等人[28]通過捕捉人體舞蹈動作，提出了滿足機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍和運(yùn)動速度要求的解決方法，使得機(jī)器人能夠很好地完成舞蹈動作。目前，仿人機(jī)器人通過基于運(yùn)動捕捉的動作設(shè)計法可以完成包括太極拳、舞蹈、打網(wǎng)球和乒乓球等多種動作。

總之，仿人機(jī)器人通過模擬人類的多種動作，可以很好地代替人類工作，因此得到許多國家科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注和重視，基于運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的仿人機(jī)器人動作設(shè)計方法也成為運(yùn)動生物力學(xué)研究的重要領(lǐng)域。

5 結(jié)語

運(yùn)動生物力學(xué)對人體運(yùn)動基本規(guī)律和穩(wěn)定控制機(jī)理等方面的探索與總結(jié)在仿人機(jī)器人40年的發(fā)展歷程中，對其理論研究和樣機(jī)研制均有重大貢獻(xiàn)，運(yùn)動生物力學(xué)從仿生學(xué)的角度將人體的運(yùn)動和控制原理應(yīng)用于仿人機(jī)器人的研究領(lǐng)域。雙足仿人機(jī)器人目前仍存在步行基礎(chǔ)理論滯后、樣機(jī)技術(shù)無法真實模擬人體運(yùn)動等研究問題，這就要求針對仿人機(jī)器人的研究一定首先從“仿人”層面出發(fā)，通過運(yùn)動生物力學(xué)手段更進(jìn)一步探究人體機(jī)理，將人體和機(jī)器人兩個學(xué)科領(lǐng)域交叉研究，才能制造出更類人和實用的仿人機(jī)器人。

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