研發仿人機器人最終的目的是使機器人的運動更貼近人類的動作軌跡，同時獲得與人體一樣良好的節能性和穩定性，從而協助或代替人類完成醫療、工業、日常生活等相關領域的工作。從運動生物力學角度出發，了解人類動作基本規律、能量優化原理以及穩定控制機理，其理論研究和技術手段都可以在仿生學層面上對仿人機器人的理論探索和樣機研發有重要幫助。本文對仿人機器人的發展現狀和應用領域作出概述，并總結運動生物力學在仿人機器人本體設計和研究方向上的應用。

1 仿人機器人的發展及研究現狀

1.1 仿人機器人的發展歷程

仿人機器人的研究開始于20世紀70年代，在長達40年的發展歷程中,全世界相關領域的學者不斷進行著針對于仿人機器人的理論探索和樣機研制。行走機構是仿人機器人的關鍵技術，對于仿人機器人的研究也是從對行走機構的研究開始[1].目前仿人機器人根據步行方式的不同可以分為主動型和被動型兩種，主動型仿人機器人是指在機器人的關節處設有驅動裝置，通過控制方法來規劃關節運動的實際軌跡與期望軌跡曲線重合；被動型仿人機器人相比主動型減少了能源的輸入，只依靠少數幾個關節的能量輸入或完全依靠自身的重力完成行走。

1.1.1國外仿人機器人的發展在理論研究方面,Vukobratovic于1969年提出了著名的雙足步行機構穩定性判據ZMP（ZeroMomentPoint）理論[2],為仿人機器人姿態平衡的控制奠定了重要的理論基礎；Hemami等人[3]隨后提出了仿人機器人模型的簡化方法,進一步開展了機器人穩定控制的相關研究.在樣機研制方面，早稻田大學最早研發的模擬人體下肢結構WL-1已經基本具備了雙足行走的功能，在此基礎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器人WL-5以及第一個具備機械手臂、視聽裝置的仿人機器人WABOT-1;本田公司設計研發的ASIMO是當今雙足機器人樣機技術的最高水平,通過步行技術的改進使其更接近人類的行走方式,并具備了避讓障礙、跑步和邊行走邊轉彎的功能;日本政府于1998年啟動了HRP（HumanoidRobotProject）項目,其最具代表的HRP系列機器人具有順勢倒下并爬起、在不平整地面行走、協助人類操作等功能；美國在仿人機器人的研發領域也取得了很大成功，波士頓動力公司推出的PETMAN軍用機器人足底模擬人類跖趾關節的設計,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,麻省理工大學研發的被動步行機器人M2能夠以極小的功耗步行。

1.1.2國內仿人機器人的發展我國對雙足行走機器人的研究始于20世紀80年代中期，并在863計劃和國家自然科學基金的支持下取得一系列進展。國防科技大學研制出我國第一臺仿人機器人“先行者”,可完成平地移動、走臺階、轉彎和擺臂等各種類人步態；哈爾濱工業大學研發的HIT-3可實現穩定行走；北京理工大學研發的“匯童”仿人機器人可模仿人類完成太極拳、刀術等各種復雜動作。

1.2 仿人機器人的研究現狀

在理論層面上，為了使仿人機器人獲得更好的步行穩定性，各國學者對機器人以及人類自身的步行運動都進行了深入的研究，以期得到更為優化的控制理論?？刂评碚撝饕枰鉀Q兩方面的問題：一方面是要利用運動規劃算法，產生各關節正確的轉動序列，并獲得實現方法；另一方面是要滿足機器人的穩定條件?，F階段仿人機器人主要的控制理論包括ZMP控制方法、倒立擺特性、基于人類步行數據的規劃/控制。

在硬件層面上，建立在高科技基礎上的硬件系統如材料與機構、驅動電機、傳感器對于機器人的設計及構造十分重要。通過適宜的材料構建仿人機器人機構，根據本體傳感器的信息，通過驅動電機實時調整身體姿態，并對理論層面的步態進行修正，從而完成運動任務。

2 仿人機器人應用領域

2.1 醫療

仿人機器人在外科手術上的應用，可以突破傳統的微創手術，讓手術精度和水平提高到新的高度；在康復服務中的應用包括醫療服務和老人看護等，實現了人性化的醫療環境[4];外骨骼系統是融合了仿生學、控制、傳感器、驅動和材料等相關技術的高科技產品，可以有效地幫助殘疾人恢復肢體功能，也可以幫助特殊職業人群完成高難度、大載荷的作業[5].

2.2 工業

模擬人類上肢自由度和靈活度的機械手臂在工業中廣泛應用，主要完成焊接、搬運、噴涂、裝配、測量及檢驗等高危險度、高復雜性的作業。

2.3 軍事

主要讓仿人機器人執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，比如值守、巡邏、拆彈及掃雷等。

2.4 娛樂主要實現機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 仿人機器人的生物力學設計

3.1 自由度---模擬關節運動

在機器人自由度的配置中，研究人員多依據人體解剖學并參照機器人本體特點設計其自由度。為了能自由控制腳掌的位置和姿態，機器人的研發過程中設計出許多不同自由度的行走機器人，并成功實現了穩定行走。從國內外研究中比較成熟的仿人機器人來看，大部分仿人機器人腿部結構都采用6個自由度的分配方式：髖關節3個自由度，膝關節1個自由度，踝關節2個自由度。一般情況下單側下肢有5個自由度就可以完成基本的行走，而髖關節增加的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，仿人機器人在上肢的設計中也要充分考慮人類的形態結構，比較典型的仿人機器人上肢自由度配置方式為：肩關節3個自由度，肘關節1個自由度,腕關節3個自由度.肩關節的轉動能帶動整只手臂運動，通過較小的角度就可以實現較大的肢體末端移動距離；肘關節用以實現肢體末端可以到達靠近軀干的距離點；腕關節用以實現肢體末端的靈活性，有的仿人機器人或者機械臂增加了手指的自由度以完成更復雜的任務。

軀干上腰部如采用1個自由度對某些全身運動的動作規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器人的視覺識別范圍。

3.2 驅動方式--模擬肌肉

目前機器人關節的主要驅動方式有液壓、氣動、伺服電機驅動等，液壓驅動控制復雜、成本高，氣動驅動精確性差，因此電機驅動還是目前仿人機器人主要的驅動方式。

同時，為了使仿人機器人的機械結構和驅動裝置達到精確、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行研究，人工肌肉和關節驅動結構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動器，參考人類肌肉的運動原理設計而成。

根據人體解剖學和生物力學原理，機器人研究人員設計出空氣肌肉組織，并提出了雙關節肌肉、拮抗肌群等設計思路。1998年英國的研究小組在人體生理學和人體解剖學領域進行研究，用空氣肌肉組織模仿人類肌肉[8].根據人體的肌肉大多跨過兩個關節或以上這一解剖特性,Saito等人[9]在雙足機器人的髖、膝關節處設計了一個雙關節驅動，該設計增加了力的輸出，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節和肌肉性能的研究[10,11].張江濤等人也提出了一種新型的仿人肢體驅動結構[7],他注意到人體通過主動和拮抗肌群的共同作用驅動關節運動，因此他在機器人上臂運動方向兩側安裝多個小巧的肌肉單元結構，以此模擬人體肌肉的工作方式。如果一側肌肉單元作為屈肌，則另一側肌肉單元就為伸肌，二者的共同驅動完成一次關節運動，這種屈伸肌肉單元的同步收縮可以將關節固定在一個特定的位置上，因此可以有效地維持關節位置的精確性和穩定性。

3.3 傳感器---模擬本體感覺

仿人機器人中安裝了大量傳感器，通過傳感器獲得關節角度、姿態、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定的行走步態，但由于外界多種不穩定因素的存在，導致實際行走過程中會出現步態的偏差，因此機器人需要依據各種傳感器收集本體以及外部的信息并加反饋控制，以保證自身穩定性。在某種程度上，機器人的穩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，反饋到神經中樞作出判斷從而調節身體平衡，與此類似，仿人機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，實現準確控制。而在一些復雜的環境中，除了觸覺的感知外，對姿態信息的感知也尤為重要。足部姿態對于不平整地面行走、轉彎、上/下坡和上/下樓梯的穩定控制都有重要作用[12],軀干姿態信息對于行走穩定性也非常重要。

3.4 足部結構

足部是仿人機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動踝關節圍繞著地點產生轉動，從而更好地控制機器人行走的穩定性，同時又提供足夠的摩擦力用以推進機器人向前行進。在一些樣機的研發中，科研人員根據人體跖趾關節的提示在足部結構中加入了主動腳趾，從而對ZMP進行微調，并提升了行走的步幅和速度，也更易于完成全身動作[13].另一些樣機研發中借鑒了人體足部的緩沖特性,將機器人足部改成雙重結構，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 生物力學在仿人機器人研發中的研究方向及手段

4.1 步態規劃

步態規劃是指預先設定仿人機器人各個關節角度的時間序列，并用角度和時間的函數來表示，從而使機器人完成期望的步行運動，它是一種關節運動在空間和時間上的協調關系。步態規劃的基本原理是先根據理想的步行的要求和環境規劃出各關節的位置軌跡，然后通過逆運動學模型計算出各關節的角度軌跡[15].

在步行機器人的研發過程中，機器人的步態逐步向著擬人化的方向發展，一方面是其下肢步行結構的設計借鑒人類下肢，另一方面是其步態規劃方法可以借鑒人類步態特征。因此基于仿生運動學的步態規劃方法得到發展，此方法將儀器捕獲的人類步行運動數據（HMCD）應用到仿人機器人的步態規劃上，本田團隊通過分析人類步行時各關節相互抑制和協調的規律，利用得到的運動學數據規劃出ASIMO的步態[16];Zhang等人[17]通過采集人類行走的運動數據并進行修正，規劃出BHR-2的步態。

基于仿生運動學的步態規劃法不需設定大量參數，其可行性完全依賴于儀器捕捉的運動數據，但在質量分布、動力學特性和驅動方式等方面仿人機器人與人都存在很大差異，同時由于不同機器人的實際參數不同，也會導致采集的數據無法共享[15].因此，不能直接將采集到的人類步行數據直接應用在機器人身上，而應通過數據分析研究人類步行原理，將基本的原理特征應用于仿人機器人來規劃合適的步態。隨著生物力學相關學者對人類行走機理的研究與了解，以及相關采集設備和手段的提高與完善，基于仿生運動學的步態規劃法將成為仿人機器人步態規劃的一個主要發展方向。

4.2 穩定控制

仿人機器人的研究領域中，主要的穩定性判據是ZMP始終保持在支撐區域內，它距離支撐區域的中心越近，機器人的穩定性也越好。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,真實的雙足步行運動姿態并不始終保持平衡，人類在快速步行或者跑步的運動中也不會遵循ZMP判據，即使出現不穩定的姿態也可以通過正常邁步恢復穩定的步行運動。因此ZMP判據是一種比較保守的穩定控制方法，限制了仿人機器人基礎理論的研究和樣機技術的發展。而人類在快速步行、高處落地、外干擾等過程中都表現出極好的穩定性，提示相關領域的科研人員可以通過對人體穩定控制的研究，了解在不同場景和動作下人體的穩定控制機理，這有助于完善仿人機器人的穩定控制理論和提高仿人機器人的樣機研發水平。

4.3 能量優化

機器人主要的能量損失發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器人研究領域的重點。研究人員根據人體足部的功能，在機器人足底安置緩沖裝置[19],或者擴大足側部和后部的支撐區域[20],以減小碰撞階段沖擊力對于機器人能量損失的影響。學者認為導致主動型仿人機器人行走能耗過高的主要原因在于其驅動方式不符合人類的生物力學特性[21],趙九洲總結人類步行的能量節省化特點，認為人類步行時在雙支撐階段進行能量輸入，在單支撐階段近似被動特征，他根據這種充分利用自身被動特性以及穩定特性的原理，提出了一種自然步態的生成方法，并通過模擬關節的生物力學特性而實現對機器人的控制[22].同時,當前機器人的研發設計多是上肢沒有擺動或者足底沒有跖趾關節，一方面這種設計是否會在人類身上體現出能量消耗的差異，另一方面如果人以類似行為行走是否可以得到一些參數或特征為此類型機器人提供實用性幫助，也成為了學者研究的重點[23,24].

4.4 動作設計

動作設計和規劃的目的是為了使機器人更加擬人化，從而更好地協同人類完成工作，或者達到娛樂效果。但是對于復雜動作采用建立運動解析方程并求解運動軌跡的方法難度大且復雜，因此基于人體運動數據的動作設計方法就成為了規劃仿人機器人復雜動作的有效手段[25].

隨著運動捕捉技術的快速發展和對機器人動作設計要求的提高，越來越多的研究人員采用基于運動捕捉系統的動作設計方法，實現仿人機器人的擬人化動作。一般情況下，基于運動捕捉系統的動作設計方法分為人體的運動捕捉、建立人-機簡化模型、機器人的運動學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動學數據，并使用數學方法對其進行表達，進而使仿人機器人能夠模擬人體上肢運動軌跡進行運動。Yamane等人[27]提出了基于人體運動數據的仿人機器人全身動作設計方法。Pollard等人[28]通過捕捉人體舞蹈動作，提出了滿足機器人關節運動范圍和運動速度要求的解決方法，使得機器人能夠很好地完成舞蹈動作。目前，仿人機器人通過基于運動捕捉的動作設計法可以完成包括太極拳、舞蹈、打網球和乒乓球等多種動作。

總之，仿人機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構的關注和重視，基于運動捕捉系統的仿人機器人動作設計方法也成為運動生物力學研究的重要領域。

5 結語

運動生物力學對人體運動基本規律和穩定控制機理等方面的探索與總結在仿人機器人40年的發展歷程中，對其理論研究和樣機研制均有重大貢獻，運動生物力學從仿生學的角度將人體的運動和控制原理應用于仿人機器人的研究領域。雙足仿人機器人目前仍存在步行基礎理論滯后、樣機技術無法真實模擬人體運動等研究問題，這就要求針對仿人機器人的研究一定首先從“仿人”層面出發，通過運動生物力學手段更進一步探究人體機理，將人體和機器人兩個學科領域交叉研究，才能制造出更類人和實用的仿人機器人。

參考文獻：

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