2012年Kenshiro机器人

Design Concept of Detail Musculoskeletal Humanoid Kenshiro - Toward a real human body musculoskeletal simulator -

详细的肌肉骨骼类人Kenshiro的设计理念——面向真实的人体肌肉骨骼模拟器

Yuto Nakanishi, ..., Masayuki Inaba

2012 12th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots
摘要：

我们开发和研究了肌肉骨骼类人。我们的目标是实现一个更像人类的类人机器人，作为一个真正的人类模拟器，它具有和人类一样的肌肉和关节结构，可以像人类一样做自然和动态的动作。特别是，设计包含大量高功率肌肉的肌肉骨骼结构具有很大的挑战性。现在，我们设计了新的全身肌肉骨骼类人Kenshiro。本文介绍了这款新机器人的概念，并介绍了我们最新的成果——Kenshiro，它是我们之前的机器人Kojiro的后续版本。

1.介绍

近年来，许多研究者基于建设性的方法，开发并使用一个真实的类人机器人作为真实世界中详细的人体仿真器，以了解人体的运动功能和运动控制。近藤等人开发了真人大小的类人机器人，其骨骼长度和重量与人s相同，目的是利用类人机器人模拟人体性能[1]，精确评估行走辅助设备。Morimoto等人通过实验将猴子的大脑输出直接连接到类人的运动控制输入[2]，从神经元活动中重构出步行运动控制模式，对揭示人类大脑运动控制过程提出了挑战。在这个实验中，他们使用了真人大小的类人机器人，它有着与人类相似的关节排列和关节可移动范围。它们没有像人一样复杂的骨骼结构，如脊柱、肩胛骨和锁骨，全身分布着大量的冗余肌肉和肌腱。

另一方面，一些研究者认为类人化身在揭示人类认知发展过程中非常重要，他们最近开发了详细模拟人体结构的肌肉骨骼类人生物。Owen等人开发了类人ECCE[3]，具有脊柱结构和肩关节，由肩胛骨和锁骨组成。Ogawa等人发展出了肺Pneumat- bs[4]，其腿部有类似于人类的肌肉组织，如双关节肌肉。然而，即使在这些类人生物中，骨骼结构和肌肉组织仍有改进的空间，作为详细的人体肌肉骨骼模拟器。从同样的观点来看，我们也发展了非常复杂的肌肉骨骼类人型，它有大约70个DOFs关节，包括脊柱、肩胛骨和锁骨关节，以及100多个冗余的肌腱执行器[5]、[6]、[7]。我们的机器人也通过这些类人机器人来实现简单的全身运动，比如用脊椎来平衡控制，步进控制等等。然而，由于实施技术的限制，特别是骨材料和执行系统的限制，这些机器人是通过改变和简化这些机器人相对于人体的肌腱排列和骨骼形状来设计的。它们也不适合作为真实世界中的人体模拟细节。

因此，为了解决这些问题，我们现在正在开发一种新的肌肉骨骼类人，名叫Kenshiro(见图1)。本文介绍了以人体为原型，准确模拟人体的剑四郎的发展过程，特别是以下几点：

•每个骨骼/四肢的重量比例和大小

•肌肉安排和关节安排

•肌肉输出能力

描述了新的肌肉骨骼类人肯雪罗的规格来展示这个机器人的概念。在III中，我们提出了骨骼形状设计和肌肉驱动系统这两个关键技术来实现新的肌肉骨骼平台Kenshiro，它可以作为一个真实的人体细节模拟器。最后在第四部分，我们通过Kenshiro脊柱部分的基本运动实验，验证了基于这些技术的拟人机器人的运动可行性。

2.详细人形模拟器KENSHIRO设计规范

图2显示了Kenshiro的全关节排列和肌腱排列。这个机器人的目标是:1)实现非常像人类的关节和肌肉结构，2)实现全身运动的致动器性能。目前，我们已经实现了由胸部、脊椎和骨盆、肩部、腿部组成的主干部分。头部、颈部、手臂和手的发育正在进行中。

A.人体骨骼的重量和大小都是模仿的

Kenshiro的设计使它的高度变得最短，只要它能容纳100个新的执行器。最后，Kenshiro的高度约为158[cm]，重量约为50[kg]。根据日本政府的统计数据[1]，这几乎相当于日本12岁男孩的身高和体重。每根骨节的大小和重量由NEDO[3]公布的170cm身高的日本青年2的统计数据(size- jpn 2004-2006)[2]按比例转换为目标身高158cm来确定。

B.人体关节布置模仿

Kenshiro除手部自由度外，共有64个关节自由度，其中颈部13个自由度，每只手臂13个自由度，每条腿7个自由度，脊柱11个自由度，如图2所示。在这些关节结构中，特别是脊柱和膝关节与传统的肌肉骨骼类人关节不同。

Kenshiro之前的传统脊柱结构设计为3 ~ 10个系列关节结构，其中每个关节都采用3- dofs球关节机构。但在实际人体中，脊柱关节活动范围各有不同。例如，人类12系列胸椎可以在横滚轴上旋转20[deg]，在俯仰轴上旋转+45[deg]至-40[deg]，在偏航轴上旋转35[deg]，人类5系列腰椎可以在横滚轴上旋转20[deg]，在俯仰轴上旋转+60[deg]至-20[deg]，在偏航轴上旋转5[deg]至[8]。根据这一解剖学数据，我们可以认为人类腰椎很少参与偏航轴的旋转。因此，在Kenshiro’s脊柱结构中，腰椎被设计为5个系列的关节结构，每个关节为2个DOFs机构，只能在横滚轴和俯仰轴上旋转，不能在偏航轴上旋转，如图3所示。箱子被设计成没有可移动部件的实体结构。胸部内部有30个驱动器驱动手臂、腰椎(即腰椎)。脊椎)及颈椎(即颈部)必须嵌入。如果胸椎移动，我们就必须解决胸骨之间的干扰问题。肋骨)和30个执行器系统在胸部部分。这是一个很难解决的问题，因此，目前我们将Kenshiro的胸腔设计成一个实体部分，将每个胸椎关节固定起来。然而，Kenshiro的胸部由12个类似于人类胸部的胸椎组成。我们的目标是在不久的将来通过对每个胸椎的固定来实现可移动的胸腔。

Kenshiro还有一个在偏转轴上的DOFs旋转关节，在它坚实的胸腔底部和腰椎顶部之间。有了这些近似，Kenshiro的脊柱将实现与人类大致相同的活动范围。

在Kenshiro之前，传统的膝关节被设计成简单的旋转关节或滚动关节，而人类膝关节的机构要复杂得多。Etoundi等人开发了一种具有平行连杆结构的膝关节，作为人交叉韧带[9]。Kenshiro的膝盖也有平行的连接结构，此外，还有一块漂浮的骨头作为膝盖骨。Kenshiro的膝关节结构还实现了螺旋运动，这是人类膝关节的典型运动，即膝盖围绕偏航轴的活动范围取决于膝盖围绕俯仰轴的角度。图4为Kenshiro的膝关节机制。

C.人体肌肉排列模仿

Kenshiro的肌肉排列模仿人体主要肌肉的排列，如图2所示。特别是肌肉插入点的几何位置。在真实的人体骨骼解剖数据模型的基础上，精确地模拟骨骼中的起点和终点。此外，由于骨骼的外形会影响到骨骼表面和肌腱之间的相互干扰，所以我们设计的骨骼形状尽可能地与人类相似。

最后，比起以前的肌肉骨骼类人形机器人，Kenshiro拥有更多的肌肉。实际上，除了头部、颈部和手部外，它还有102个肌肉执行器，160块肌肉，其中腿有50块肌肉，躯干有76块肌肉，肩部和颈部有12块肌肉，手臂有22块肌肉。在Kenshiro中，自由度的数量大于执行器的数量。这是因为我们采用了一种平面肌肉机制，如躯干的剑四郎肌肉，如腹肌、背阔肌等。平面肌肉机构能够移动多个肌肉只有一个驱动器使用移动滑轮。这是Kenshiro中的关键技术之一，将在III中详细解释。

D.肌肉力量的改善，为全身运动

除了8块用于腕部驱动的肌肉外，94块肌肉执行器均由Maxon 100[W]交流电机组成，因此Kenshiro的总额定输出功率约为10000[W]，单位质量的额定输出功率约为200[W/kg]。实际上，Kenshiro的总额定功率输出相当于小次郎的5倍。小次郎是我们在2008年开发的上一个肌肉骨骼类人。它可以走路，站起来，做一些完整的身体运动。而Kenshiro的单位质量额定功率是小次郎的1倍。实际上，图5显示的是小次郎(蓝色)和贤志郎(绿色)的髋关节产生的扭矩。Kenshiro的膝关节可以连续产生扭矩116[Nm]，无载角速度19.6[rpm]。该规格可与可行走的全身轴驱动类人HRP2[12]，[13]相媲美。

由于功率输出的巨大改善，我们的目标是让Kenshiro做完整的身体运动，这需要很强的运动强度，比如像人一样的脊椎运动，站立运动，从坐着的脚跟或交叉。为了使Kenshiro成为真实的人体模拟器，对行走过程中各肌肉负荷进行评估是非常重要的。

3.KENSHIRO开发的关键技术

A.模仿类人骨骼形状的复杂而坚固的骨骼设计

正如II-C中提到的，我们必须精确地设计出与人类相似的外部骨骼形状，不仅要模仿人类肌肉的插入点，还要模仿肌腱的路径，因为肌腱与骨骼外表面之间存在着干涉，这种干涉效应取决于外表面骨骼的清晰形状。在我们目前开发的肌肉骨骼类人机器人中，我们基于快速原型制作过程，如SLA、SLS等来构建骨骼，实现具有类人复杂曲面形状的类人骨骼。然而，这些骨材料可以通过这些快速成型制造，如ABS塑料树脂和尼龙树脂，比金属材料，如铝合金更脆弱。因此，我们必须改变骨骼的形状来提高骨骼的强度。因此，只要我们采用这些脆弱的材料作为类人结构，就很难精确地模拟出人类骨骼的形状，因为人类骨骼有许多小的突出部分和薄的部分，如盆骨、椎骨、肋骨、肩胛骨等。

因此，Kenshiro几乎所有的骨骼结构都是由坚固的材料制成，如铝合金、合金钢和CFRP等。有了这些材料，即使是像人类一样小的突出部分和薄的部分也可以不脆弱地建造。另一方面，这些金属材料比快速原型制造的材料更难生产，特别是在复杂的具有类人曲面的骨骼结构中。这意味着这些骨头更贵。在Kenshiro中，为了降低这些骨设计成本，我们根据骨的形状来选择制造方法。图6显示了Kenshiro的骨结构。例如，肋骨是由铝铸件铸造的基础上的失蜡过程，因为肋骨由大约30个部分组成，而且每个部分的形状是相当复杂的曲面。盆骨是由铝切割产生的，因为盆骨只由两部分组成。左右两部分)，复杂的形状由凸曲面组成，切割起来比较容易。将椎体骨分成两部分(即一个主要的关节部分和一个针铁矿部分)，它的每个部分都可以简化和易于切割。试制了两种锁骨。其中一种材料是碳纤维增强塑料，由于碳纤维增强塑料比铝和钢等其他材料更坚硬，因此可以使锁骨成为细长的结构。另一种是金属选择性激光烧结，可以使领骨的形状非常复杂，如图6所示。

因此，多亏了这些精心设计，Kenshiro的研发成本几乎与之前的肌肉骨骼类人型机器人小次郎(Kojiro)相当。

B.躯干以坚固的金属弹簧和平面肌机构为基础

人体躯干骨骼结构由12个胸椎和5个腰椎组成，但其胸骨对盆骨的实际可控自由度在6 ~ 9自由度之间。事实上，人类的脊椎是无法独立控制的。特别是，每个椎体不能独立地绕偏航轴旋转。

在Kenshiro的腰椎中，我们在椎体之间放置了变形的钢丝和坚固的金属弹簧。这个弹簧可以产生足够的恢复力来维持脊柱的站立姿势，而不需要任何活动的肌腱的力量来束缚每个椎体，如图7所示。Kenshiro’s弹簧作为一个椎间盘的弹簧常数为45[kgf/mm]，可以产生足够的力来支撑上身，假设Kenshiro上半部分包括胸部、头部和手臂的重量为20kg。

Kenshiro脊柱(即。腰椎)由2块腹直肌、2块腹内腹壁肌、2块腹外腹壁肌、2块竖脊肌、2块腰大肌共10种平面肌肉驱动(图8)。在Kenshiro中，将腰方肌作为起竖棘肌而省略，将腹壁横肌作为内/外腹壁肌而省略。背阔肌也被当作平面肌肉机制来执行，然而，它们主要作用于健四郎的手臂。

传统的肌腱驱动肌肉变成线性肌肉结构，这意味着点对点像一条线。另一方面，Kenshiro脊柱采用的平面肌肉机构仅通过一个执行器就实现了类人的平面肌肉结构。在Kenshiro的脊柱病例中，平面肌通过移动滑轮上下转动8次，如图9所示。因此，Kenshiro有10块用于驱动脊柱的平面肌肉，而外表却有80块肌肉。如图8 s腹直肌所示，用柔软的套筒状材料覆盖这些大量的肌肉，可以实现柔软的腹部部分，不需要任何外部的软材料，如硅橡胶、脲原泡沫等。

因此，Kenshiro比以前的肌肉骨骼类人形机器人(如Kenta、Kotaro和Kojiro)在脊柱上成功地获得了更多的关节自由度。相比之下，以前的肌肉骨骼类人形机器人有24个致动器来驱动脊柱，而Kenshiro使用的致动器更少，这得益于强劲的弹簧椎板和平面肌机制。使用较少的执行器来执行脊柱，可以使用更多的执行器来执行颈部、手臂和腿部关节。

4.KENSHIRO的基础实验

在本实验中，我们使用的原型胸部部分，由一个实体部分组成，而脊柱的活动部分，由腰椎组成，与fina Kenshiro脊柱相同。图10显示了Kenshiro的各种脊柱运动。通过实验，我们证实了仅用10个执行器就可以实现其胸部绕滚、俯仰和偏航轴的基本运动。图11展示了Kenshiro利用脊柱、髋关节和踝关节的全身运动。从这个实验中，我们证实了Kenshiro的脊椎有足够的力量来支撑和移动它的上半身。同时，我们证实了Kenshiro的小腿可以支撑整个身体，并在运动过程中保持平衡，如图11所示。

5.结论与未来工作

本文提出了一种基于真实人体大小的肌腱驱动类人机器人Kenshiro的全身设计方案，该方案是未来发展的人体肌肉骨骼模拟器。为了实现Kenshiro作为肌肉骨骼类人平台，它比以前的机器人在更高的水平上模仿人类的关节和肌肉排列，有足够的肌肉力量来做全身运动，以下两项技术是重要的：

•模仿类人骨骼形状的复杂而坚固的骨骼设计

•躯干基于强大的金属弹簧和平面肌肉机构

在未来的工作中，我们将计划实施仿人脊椎行走、仿人俯仰运动、手臂、躯干、腿部协调运动，以评估全身运动过程中的各项肌肉负荷。本研究有助于揭示如何在真实人体中实现更有效的全身运动。

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