Design principles of a human mimetic humanoid: Humanoid platform to study human intelligence and internal body system
拟态类人设计原理:研究人类智能和人体内部系统的类人平台
Yuki Asano,* Kei Okada, Masayuki Inaba
SCIENCE ROBOTICS
摘要：
人体的许多系统和机制还没有被完全理解，比如肌肉控制的原理，连接大脑和身体的感觉神经系统，大脑中的学习，以及人类的行走运动。为了解决这一知识缺陷，我们提出了一种模仿类人的方法，这种方法在解剖学上对人体肌肉骨骼结构的逼真程度是前所未有的。我们设计的基本概念是考虑人的机制，这与现有类人设计中使用的传统工程方法形成了对比。我们相信所提出的拟人类人可以为科学研究提供新的机会，例如定量分析人体运动的内部数据。我们描述了拟态类人机器人Kenshiro和Kengoro的原理和发展，并比较了它们在身体比例、骨骼结构、肌肉排列和关节性能等方面与人类在解剖学上的相似性。为了证明模仿类人的潜力，Kenshiro和Kengoro做了几个典型的人类动作。
1.简介
至少在过去的两年,人类努力理解系统和机制,构成了人体,如肌肉控制的原则,感官神经系统,连接大脑和身体,大脑学习的机制,完成简单的散步。近年来，技术的发展已经达到了这样的程度:模仿人体结构的类人机器人正在被制造出来，这些机器人使我们能够通过制造类人机器人或在现实世界中进行实验来研究人体系统。然而，传统类人机器人的局限性在于，它们是在传统工程、力学、电子学和信息学理论的基础上设计的。它们还主要用于面向工程的应用，如日常生活中的任务完成、个人帮助或灾难响应。相比之下，我们的目的是设计一个基于人类系统的类人机器人，包括肌肉骨骼结构、感觉神经系统和大脑信息处理方法，以支持以科学为导向的目标，如获得对人类内部机制的更深入的理解。
我们的研究团队已经成功地开发出了肌肉骨骼机器人(15)，并且似乎有可能将它们用于我们的既定目标，因为它们模仿了人类的肌肉骨骼结构，支持人类灵活的身体和行为，并使用肌腱驱动驱动器支持人类式的肌肉驱动。然而，从解剖学的角度来看，这些肌肉骨骼机器人不够精确，比如身体比例、肌肉排列和关节结构，尽管它们的驱动确实模仿了人类肌肉的收缩。其他研究团队也成功地从拟人的角度开发了肌肉骨骼机器人(6-12)。他们的机器人的身体结构和形状都受到了人类的启发，为控制和建模这类机器人提供了有效的方案。然而，他们的机器人不能进行全身运动，因为他们没有肌腱驱动的腿来支撑他们的重量。
因此，我们提出了一种拟人的类人机器人，它在解剖学上高度忠于人体结构，能够进行全身运动。我们相信，这样一个拟人类人可以提供新的机会，以推动科学的发展，如在肌肉骨骼物理模拟领域，捕捉和定量分析一个移动的人体内部数据使用传感器的拟人类人。在这里，我们详细介绍了一个解剖学上正确的拟人类人的设计原则如下:(i)身体比例，(ii)骨骼结构，(iii)肌肉排列，(iv)关节性能。
我们也以Kenshiro和Kengoro类人生物的发展为例。拟人设计概念是每个类人的共同概念。Kenshiro是第一个基于这一概念发展起来的类人机器人，而Kengoro则是在对人类更高程度的忠诚的基础上发展起来的。这些类人生物体内的肌肉骨骼结构在解剖学上是正确的，因此我们可以评估肌肉骨骼结构相对于人类的保真度。拟人类人的设计概况如图1所示。
结果：
在本节中，我们将描述Kenshiro和Kengoro在解剖学上的保真度，并评估他们的肌肉骨骼结构在四个感兴趣的特定领域中模仿人类的精确度。
身体比例的相似
身体比例的Kenshiro和Kengoro设计采用人工统计数据[13-16]为设计目标,因此,机器人将有更多类似人类的身体比例,和链接长度的Kenshiro Kengoro设计的基础上相应的长度在一个人类的身体中。为了评估他们的拟态人体比例，我们使用表1所示的人体段对Kenshiro、Kengoro和一个普通人进行了链接长度的比较。请注意，在一些研究中已经报道了人类链接长度和重量的比例。结果表明，与人类相比，Kenshiro和Kengoro的平均链接长度分别为101和99.3%。
还比较了Kenshiro、Kengoro和普通人的质量分布特性。比较结果见表2，其中Kenshiro和Kengoro的平均质量分别为115和116%。因此，我们从质量分布的角度证实了装配后的类人机器人具有高保真度。
骨架结构的相似
在骨骼结构评估方面，我们比较了一个人和几个类人机器人(包括Kenshiro和Kengoro)的自由度。在人类中，已经确定了548个关节的dof;不包括面部和手部时，根据骨骼连接的数量，按功能分类有419个dof(17)。每个接头可以包括一个、两个或三个自由度。基于Kenshiro、Kengoro或其他真人大小的类人机器人(3,4,18 25)的数据，不包括面部和手部的关节自由度的比较如图2所示。这些类人生物大致可分为两类。第一组(即轴向驱动组)是由普通的人形机器人组成，每个关节上都有执行器来移动它们的结构连接，关节自由度为27到35。这类生物包括HRP2或ASIMO类人生物。第二组(即肌腱驱动组)由具有人类灵感的肌肉骨骼结构的肌腱驱动类人动物组成，这些类人动物具有相对较多的关节自由度(55至114个)。多个脊柱关节的使用是接近人的柔韧性所需要的最重要的因素之一，而当前类人机器人的dof数量受限于类人机器人是否具有脊柱柔韧性。Kenshiro有64个dof，这只是人类拥有的419个dof的15%。与其他类人相比，多脊柱关节和膝关节的偏航转动自由度是全身DOF相对较多的原因。Kengoro有114个自由度，占人类的27%，是真人大小的机器人中自由度最大的。如果包括手动DOFs, Kengoro有174个DOFs。其末端的多个dof被认为是dof数量增加的原因。末端执行器是仿人机器人领域的一个具有挑战性的课题，在这一领域，仿人与人类之间仍然存在着巨大的差距。
肌肉安排的相似
拟人肌肉排列是指肌肉执行器的位置和排列，使其能够根据人体解剖学复制肌肉的起源和插入点。这种安排使肌肉骨骼类人的肌肉执行器的命名与人类的相匹配，这反过来又增加了拟人类运动获得的肌肉数据的可信性。表3比较了人类和一些肌肉骨骼机器人(包括Kenshiro和Kengoro)之间的同义肌肉数量。计算了对全身运动和关节运动很重要的人体肌肉。面部或器官的肌肉被剔除。在表中，计数不是基于肌肉(执行器)的数量，而是肌肉的名称，因为在某些情况下，Kenshiro和Kengoro配备了表示单个肌肉的多个肌肉执行器。例如，Kenshiro配备了两个肌肉执行器，代表腓肠肌，以确保足够的肌肉输出。在脊椎，Kenshiro和Kengoro比其他机器人有更多的肌肉关系。在手臂上，不包括手部内部肌肉，Kenshiro和Kengoro分别占人体肌肉的27.0和51.4%。Kengoro比Kenshiro有更多的肌肉，因为前臂和手腕的肌肉有助于增加肌肉的数量。腿部除足部肌肉外，Kenshiro和Kengoro分别拥有人类肌肉的50.0和57.1%。在整个身体的对比中，不包括手和脚的内部肌肉，Kenshiro和Kengoro的肌肉保真度分别为人类的37.7和49.1%。在这些结果的基础上，我们证实了与其他类人动物相比，拟态类人动物Kenshiro和Kengoro具有最大的肌肉逼真度。然而，如果包括手和脚的肌肉，肯雪罗的精确度下降到30.1%，肯高罗下降到39.1%。这些结果是由于肌肉末端效应器是人类整个肌肉比例的很大一部分。因此，末端执行器在人类日常生活中非常重要。这表明，开发仿人末端执行器是推动仿人机器人向前发展的关键。
关节表现得相似
对Kenshiro、Kengoro和普通人进行了联合范围比较。请注意，在(17、26、27)中有关于人类关节活动范围的报道。采用几何计算机辅助设计模型或真实机器人的实际运动来检测Kenshiro和Kengoro的机械关节范围，并比较了颈部、脊柱、肩部、肘部、臀部、膝盖和踝关节的关节范围。结果如图3所示。我们证实了Kenshiro和Kengoro几乎所有的关节范围都与人类相似，说明这些类人机器人可以实现灵活的类人姿势。特别是肩部和臀部的球形关节使关节运动范围更广。多关节脊柱是一种模仿人类的关节，可以实现类似人类的灵活姿势。在类人机器人中，由于模仿肌肉的安排，可以实现类人的大范围运动。冗余的肌肉组织保证在关节极限附近有足够的关节力矩，关节的稳定性会因为约束力不足而下降。
讨论
总结
在这里，我们描述了我们对拟人类的工作，其肌肉骨骼系统尽可能接近人类。我们进行这项研究的基础是，改善类人生物的关键特征隐藏在人类的结构和运动过程背后。因此，我们将有助于与人类肌肉骨骼系统保持一致的元素结合在一起。为了实现这些类人系统，我们模仿了基于解剖学知识的人类肌肉骨骼结构。在拟人类人的设计原则方面，我们的设计围绕身体比例、骨骼结构、肌肉排列、关节性能四个关键区域展开，在此基础上开发了类人机器人Kenshiro和Kengoro。我们对它们的设计进行了评估，将它们与人类或现有的类人生物进行比较，并确认这两种类人生物在解剖学上对人类有着极大的忠诚。
弹性或硬度
传统的设计方法是基于刚性的改善，使类人刚性和结构强度。它是更好的控制类人在准确的位置;然而，有了这些方法，类人机器人往往会变得笨重。另一方面，身体中灵活的部分，如脊柱，有助于产生类似人类的灵活动作，但它在结构上往往较弱。我们认为在灵活性(弱点)和刚性(力量)之间存在一种平衡。我们相信，结合生物的灵活性比僵化更重要，从而使类人机器人更像人类。因此，我们将人类的灵活性融入到类人生物的结构中
未来的应用
我们相信，拟人型类人机器人有潜力被用于一些新的应用，这是以前没有考虑过的。例如，人体肌肉骨骼模拟器可以通过评估从真实世界中被模仿的类人生物接收到的感觉数据来获得与人体内部不可见的身体相关的信息。这种类型的模拟器也可以用来验证关于人类控制的假设，通过应用来自人类系统的人工控制程序，因为人类拟人类的结构与人类的非常接近。这些工具可以用来提供对人类机制的更深入的理解。此外，其他实际应用也是可能的。一个有趣的应用是汽车碰撞测试中使用的主动碰撞测试假人，因为目前的假人只能测量被动行为。拟态类人能够通过肌肉驱动复制人类的反射行为。一个研究小组已经提出，肌肉骨骼类人可能被用于医学，例如种植组织移植物(28)。如果类人机器人可以复制人类的动作，那么在运动过程中获得的肌肉贡献分析或感官数据将对运动员或运动训练师有益。此外，人类形状的机器人肢体也有望用于其他领域，如假肢或远程操作的人类代理。
材料与方法
四个设计原则
我们专注于通过模仿类人来实现我们的目标的全身运动的能力(例如，现实世界中用于人类运动分析的物理肌肉骨骼模拟器)。为了满足仿真的需要，人与类人之间的运动学和动力学的相似性是非常重要的。我们综合考虑了以下因素来发展拟人机器人，并决定这四个原则应该是我们的重点。
与人类相似的连杆长度和质量分布(换句话说，身体比例)提供了相似的运动学和动力学。从这些类人运动中获得的感觉数据与人类的高度相关。此外，强大的相似性也使这些类人机器人适合人类的环境，如使用工具，穿人的衣服，或上车。
高度的骨骼结构逼真度是模拟人体特征的有效手段。人体关节不仅是单轴旋转关节，而且是由骨骼之间的旋转和滑动运动组合而成的滚动滑动关节(如膝关节)。具有多个椎骨的脊柱关节能有效地做出各种类人姿势和灵活的上肢运动。全身多个类人dof在环境约束下有效地进行适应性环境接触或运动。
的基本方程的基础上tendon-driven机器人t = tGT和t = tJF(其中t是关节力矩,t是肌肉紧张,F是末端执行器的力量,G是肌肉的雅可比矩阵,雅可比矩阵和J), musclejoint-operational状态映射控制肌肉骨骼机器人是必要的。肌肉排列对于决定这些映射特征很重要。解剖学上正确的肌肉排列可以在整个身体运动过程中提供正确趋势的肌肉贡献。
关节性能与上述三种属性有关，从全身运动的角度来决定类人性能。关节距离和输出功率分别由骨骼结构和关节力矩臂和肌肉输出功率的组合来确定。相似的关节距离和关节输出功率对于类人机器人分析人体运动是必不可少的。
如何设计一个拟人的类人生物
为了开发具有人体比例的人形，使用统计数据是很重要的。对于HRP4(20)和HRP4- c(21)类人动物的发育也进行了类似的研究。在我们的案例中，优先的设计是实现与人类相似的骨骼长度和肢体形状。考虑到这一优先级，组件、肌肉执行器、骨骼结构和电气组件都是经过反复试验设计和放置的。
拟人类的骨骼结构是为了模仿人类的骨骼形状、关节结构和关节自由度而设计的。在设计过程中，我们首先研究了人体骨骼结构，并提取了被认为对类人生物有用的基本人体骨骼机制和功能。然后，我们通过提取和聚焦某些功能，将生物复杂的人体关节结构简化为机械类人结构。此外，我们考虑了机械设计或元素，使我们能够实现重要的功能。
为了开发具有拟人肌肉结构的拟人类人，拟人类人应该尽可能多地配备肌肉执行器;但是，必须在肌肉执行器的数量和可用的设计空间之间进行权衡。为了克服这个挑战，我们采用了密集排列的肌肉驱动器。通过调节肌肉执行器，我们能够有效地执行整个身体的许多肌肉。类人的肌肉插入点是根据人的肌肉插入点来决定的。然而，用金属丝表示的肌肉只能模拟点插入，而不能模拟区域连接。平面肌肉被用来模拟局部附着或多个点，以更正确地模拟人体。
发展Kenshiro
Kenshiro基于我们获得的人体解剖学知识，整合了人类模拟肌肉骨骼结构(1,29 31)。图4显示了Kenshiro的主体规范。对于Kenshiro的开发，目标身体参数是一个大约平均13岁的日本男性，身高158厘米，体重50公斤。重要的是，身体具有人类的多自由度结构，因为这提供了对环境的灵活性和适应性。Kenshiro装备了几个受人类启发的独特关节，如多个脊柱关节(32)、螺旋回家机制(33)和开放球体关节(34)。脊柱关节为上半身提供了广泛的活动范围。膝盖处的螺旋定位机构不仅提供了俯仰自由度，还提供了偏航自由度，使股骨在坐姿受限时能够移动脚趾。肩部的开球关节通过肌肉和骨骼的附着使关节具有广泛的运动范围。这些结构允许机器人实现类似人类的行为，并有助于增加灵活性。Kenshiro的骨架结构主要由机加工铝合金(A5052)制成。对于一些需要三维(3D)复杂形式的零件，我们通过3D打印来制作这些零件。例如，封面和刀骨分别由丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)塑料和不锈钢[420SS，青铜(40%)]制成。肋板采用铝合金(AC4C)失蜡铸造工艺制造。
肌肉执行机构由电动机、机械部件、导线和传感器组成，这些部件经过机械组装和模块化，便于使用。我们将这些安排在Kenshiro的整个身体上，以达到与人类相似的肌肉排列。电机为无刷直流(BLDC)，其输出功率为几乎所有肌肉100瓦，身体较窄部分40瓦。肌肉长度、张力和温度可以从传感器中获得。肌肉执行器中的导线由马达缠绕以复制肌肉收缩。这是一种叫做Dyneema的化学线，它很耐磨。复制人类肌肉平面表面的平面肌肉用于脊柱和颈部关节。在肌肉控制方面，肌肉执行器的行为可以通过实施受人类肌肉特征启发的人工运动控制来模仿人类肌肉的行为。我们还实施了肌肉肌腱复合体控制，以提供肌肉灵活性(35)和肌肉协作，以分担冗余肌肉的负荷(36)。
平衡控制采用分布式力传感器和人体类人关节结构实现。我们为肌肉骨骼类人实施了一个依靠肌肉张力和脊柱的平衡策略(37)。为了控制肌肉骨骼类人，需要一个肌肉雅可比矩阵来表达肌肉长度和关节角度之间的关系。提出了一种基于机器学习的肌肉雅可比矩阵提取方法，实现了肌肉长度与关节角度的双向转换(38)。为了克服机器人模型的巨大误差，使用真实的传感器数据而不是仿真数据进行学习是更好的选择。
发展Kengoro
在Kengoro的设计过程中，我们采用了多功能骨骼结构的思想来实现类人性能和类人比例，并设计了传感器驱动集成肌肉模块来改善肌肉控制。图5显示了Kengoro的机身规格。为了证明这些身体结构的有效性，我们使用Kengoro进行了几个初步的动作。
Kengoro是Kenshiro的继承者，也是一种模仿人类的类人生物，在解剖学上对人类的设计非常逼真(39)。Kengoro的设计目标之一是实现与环境的接触，这需要灵活的身体和对环境的适应性。因此，多自由度不仅在脊椎，而且在末端效应器是重要的，因为人类自然地用手和脚接触环境。在此基础上，Kengoro装备了模拟人类五指的手和脚。脚有多自由度和多传感器，以促进对地面的自然适应(40)。脚尖的力量足以支撑脚尖站立来保持平衡。脚趾由肌肉驱动，肌肉与位于小腿上的90瓦马达相连。此外，手可以承受身体的重量，因为前臂的肌肉可以产生很大的抓取力(41)。前臂由一个倾斜的关节轴的桡尺关节组成，扩展了各种可能的手部运动，例如在运动或灵巧的任务中(42)。从生理学角度来看，通过人工排汗的骨骼结构可以释放发动机的热量(43)。Kengoro的骨架结构是由超硬铝(A7075)和碳纤维增强塑料组合而成，以获得更强的强度和更轻的重量。身体的几个部分，比如外罩，都是用3D打印的，就像Kenshiro一样。“生命电池”被植入了腿部的骨骼结构中，在不使用任何电源线的情况下，可以让人移动20分钟左右。
使用两种类型的传感器驱动集成肌肉模块实现肌肉控制(42,44)。这是一个集电机、电机驱动、力控传感器于一体的集成模块。电机为无刷直流电动机，输出功率分别为90w、100w或120w。对于身体的狭窄部分。如前臂采用60w无刷直流电机。该模块的使用为Kengoro提供了积极的灵活性。不仅实现了肌肉空间，还实现了关节空间的柔性自适应环境接触力矩控制器(45)。在人类交互神经支配抑制肌肉拮抗共收缩的基础上，我们实施了拮抗抑制控制，在多种运动中促进手臂运动(46)。
