揭秘全球最逼真的日本人形機器人,深度解析以假亂真的生物組織結構

2021-02-13 機器人大講堂

提到日本的人形機器人,關注機器人大講堂的朋友應該能很容易地列舉出幾個。其中,那個逼真得堪比健身教練,技能慢慢還會流汗的Kengoro和Kenshire機器人讓許多人印象深刻。

今天我們再為大家介紹一個與它很像的機器人~來自日本東京大學的機器Kenshiro。

從名字和外型上看有沒有覺得它們有點關係?其實他們是「親戚」!

在日語裡,Kengoro中的go是5的意思,Kengoro(腱悟郎)是JSK實驗室的第五代肌肉骨骼人形機器人。由於這個計劃是以仿人類肌肉骨骼為核心,因此將機器人賦予「腱」這個姓,名字依據是以日文男子名常用的排行來命名,第一代叫小太郎,第二代叫小次郎,第三代叫腱藏(腱三),第四代叫腱志郎(與四郎同音),第五代叫腱悟郎(與五郎同音)。

說了這麼多,今天介紹的這個Kenshiro機器人實際上是流汗機器人Kenshiro的前身,也就是它的「哥哥」腱志郎! 

這兩「兄弟」都是東京大學的研究人員開發的模擬人類運動系統的先進人形機器人,沒有輪子也沒有氣缸一類的驅動器,而是完完全全模仿人類,由人造骨骼和肌肉構成,並且都有肋骨籠,骨盆和旋轉關節。而「哥哥」腱志郎的運動細胞相當發達!

來看看它手臂和腿部的運動

 「哥哥」腱志郎是一個擁有160塊肌肉的人形骷髏機器人。每條腿上的肌肉有25塊,每個肩膀有6塊,軀幹有76塊而頸部有22塊。其實這其中大多數肌肉反而會妨礙機器人運動,這也是絕大部分人形機器人不完全按照人體結構設計的原因。

雖然腱志郎的部分運動較為蹣跚,但其關節的設計已經非常自由,幾乎與人類可以活動的關節數相當。

小碎步前移

大長腿劈叉

雙膝自然向前彎曲

它的肌肉由下圖這樣類似滑輪組的結構構成,雖然外形比較扁寬,但是僅僅需要一個電機就可以驅動。這些電機為整個機器人提供了64個自由度,包括脖子的13個,手臂的13個,腿部的7個,腰背部的11個。而脖子上的自由度很多就足以支持機器人模仿人類完成很多複雜的動作。

腱志郎的骨骼採用鋁合金打造,比起塑料要結實不少。骨頭由下圖的結構構成,這使它的關節很有強度,並且在膝關節處還安有十字型的韌帶和半月板,增加了整個結構的靈活性。膝關節因為有了膝蓋骨和人造韌帶的保護甚至比人體自身的相同結構還要結實。

在一次機器人年會上,Kenshiro以12歲普通日本男孩的形象與世人見面,高158cm,重50kg。項目組組長 Yuto Nakanishi表示,為機械減重是一個很大的問題。不過他們還是成功做到了。通過採用類似人體肌肉的關機力矩,在保持重量的同時,也將動力提高了五倍。

JSK實驗室的研究團隊十多年來一直致力於研究肌肉組織的運動情況及其同骨骼的兼容性,開發著世界上最接近人體構造的人形機器人。從2001年第一代Kenta 機器人的誕生,到出現Kenshiro機器人以及會流汗的Kengoro和Kenshire機器人,團隊不斷還原著生物組織結構,使機器人更加逼真。

東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)鈴森·遠藤機器人實驗室(Suzumori Endo Robotics Laboratory)的研究人員也曾打造過一種骨骼肌肉機器人,人造的人類骨骼上覆有一捆捆的多纖維人造肌肉。

其中肌肉部分應用了多纖維簇的組合方式,能夠模仿人類肌肉的伸縮,從而拉動骨骼產生運動。該機器人的腿骨肌肉擁有和人類一模一樣的結構,並且下巴還會像人一樣地上下活動。

就像真正的人類肌肉一樣,當電流通過時,這些成捆的纖維也會拉伸或收縮。通過在不同時間控制不同的肌肉組,機器人的胳膊、雙腿和頭部便可以做出類似人類的動作。比如踢足球。

不管是「腱志郎家族」機器人還是上面的多纖維人造肌肉機器人,它們作為人形機器人都是機器人工程學中非常引人入勝的部分,通過對這類機器人的研究,我們可以學到許多人類自己運動的奧秘,還有助於康復研究以及開發仿生義肢與動力外骨骼實用化器材等等。

最後讓我們一起來看看腱志郎機器人(Kenshiro)的各部分結構吧:

 

 

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