自从波士顿动力的机器人能完成后空翻之后,人们对机器人完成高难度动作就有了更多的期待。据《洛杉矶时报》报道,日本科学家研发了一款人形机器人,不仅能做引体向上,就连俯卧撑和仰卧起坐也玩得非常顺溜,最不可思议的是,机器人在做这些运动时,也像人一样会“出汗”。
这么逆天的机器人就是Kengoro(腱悟郎)和Kenshiro(腱志郎),据《科学机器人》杂志报道,Kengoro和Kenshiro可以执行非常类似于人类的动作,并作为模型帮助科学家设计更好的碰撞假人和假肢,更好地理解人体内部神秘的运动。
研究人员多年来一直在开发人形机器人,并且每一代都比上一代更先进,尽管如此,仍有许多工作要做。
这项研究的作者还指出,“传统的人形机器人存在一个限制,他们是在传统的工程、机械、电子学和信息学的基础上设计的。”
这是因为传统的机器人通常都是刚性的,而人的身体(除了骨骼之外)都是柔软而有韧性的部分组成,例如皮肤、肌肉和软骨等,当人类面临不可预知的环境时,可以有更大的灵活性和适应性。
此外,研究者还补充道,传统机器人大多都是根据特定应用设计的,例如帮助人类完成日常工作或者应对灾难。“与此相反,我们的目标是设计一个基于人类系统的人形机器人,包括肌肉骨骼结构,感觉神经系统和大脑中的信息处理方法,支持以科学为导向的目标,如对人类内部机制的深入理解。” 科学家在文章中这样写道。
这样的机器人可以帮助研究人员更好地了解我们自己的身体是如何工作的,给他们一个真实的模型来进行实验。
他们还写道:“改善类人生物的关键特征隐藏在人类的结构和运动过程之后。 因此,我们引入了促进人体肌肉骨骼系统保真度的元素。“
为了设计Kenshiro和Kengoro,科学家使用人类统计数据让机器人更符合大多数人的比例,无论是在其质量分布和每个身体部位的大小。他们建立了骨骼结构和肌腱驱动的致动器系统,旨在回应人体肌肉和肌腱的连接。最后,他们试图设计关节来模仿人体中的关节。
作者表示,人类在关节处有548个自由度,可以有一个非常复杂的运动范围。即使除去脸和手,仍然有419个自由度。
标准的轴向驱动人形机器人,如ASIMO或HRP-2,关节的自由度要少得多:大概只有27到55个。
然而像Kenshiro和Kengoro这样肌腱驱动的机器人,具有跟人类类似的肌肉骨骼结构,其自由度基本上是前述机器人的两倍,约有55到114个自由度。 Kenshiro拥有64个自由度,这要归功于多个脊椎关节(结构类似于人类的S形曲线)以及类似人类的膝关节。Kengoro有114个自由度,如果把手上的所有关节都包括在内,则有174个自由度。
研究人员也承认,尽管Kengoro也有手指和脚趾,但仍然缺少与人类数字相匹配的肌肉组织。他们认为,鉴于这些“末端执行器”对人类的生活至关重要,因此,未来的研究重点将提高这些方面。
研究人员说:“末端执行器对于人类日常生活非常重要。”这表明,开发仿人末端执行器对于推动人形机器人向前发展至关重要。
研究人员甚至设计让Kengoro出汗,开发一个人造汗液系统给电机散热。
科学家们说,结合这些人形特征可以帮助揭示人体隐形的内在运动,找到更好的预防和治疗疾病和伤害的方法。
科学家们指出:“一个研究小组已经提出,肌肉骨骼人形机器人可以用于医学,例如生长组织移植物。如果一个人形可以复制人的运动,那么运动过程中得到的肌肉贡献分析或感官数据将可以帮助运动员或运动训练师。”
他们补充说,这种数据对于开发更好的假肢以及设计远程操作机器人。
它甚至可以让碰撞假人更加“活跃”地参与实验,并结合人体在事故中的反应方式,使测试更加准确。
研究作者写道:“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。而人形机器人可以通过肌肉驱动来复制人类的反射行为。”