人类脊椎的生理结构与调控机理及其在仿人机器人中的应用研究

Human spine has outstanding mechanical property and motion performance. However, due to its high redundancy structure, most of the existing humanoid robots do not have spine-inspired trunks. This project carries out research on human spine and corresponding muscles from aspects of biological structure, regulatory principle, biomechanics and motion control strategy with the aim to overlap the deep reasons that lead to such advantages; moreover, to develop a human spine-inspired trunk with excellent capability for humanoid robots by using topology analysis, equivalent substitution, complex mechanism decoupling and mechanism synthesis as based on single-opened-chain; in addition, through revealing the regulatory principle of spine in human motion, to carry out motion planning accordingly, and to generate natural biological gait and harmonious whole body movement as based on existing control strategy such as zero moment point (ZPM), center pattern generator (CPG) and biological reflection model; via developing physical prototype and carrying out experiments, to verify the rationality of the spine-inspired structure design, the correctness of the regulatory principle analysis and the validity of the motion planning. The success in carrying out this project will accelerate the realization of high load capacity, natural biological gait, harmonious whole body movement, high energy efficiency and fast movement speed etc for humanoid robots, and thereby promote the development of humanoid robots technology of China.

人类脊椎具有优异的力学和运动性能，但因其高冗余关节的结构特点使得目前仿人机器人几乎没有对躯干部位进行有效的脊椎仿生设计。本项目提出从生理结构、作用机理、生物力学及运动调控机制等方面对脊椎及其与关联肌肉韧带的相互作用进行研究，揭示脊椎具备优异性能的深层次原因；综合采用拓扑结构分析、等效功能替代、复杂机构解耦以及基于序单开链的机构综合等方法为仿人机器人开发具备优异性能的躯干；再通过揭示脊椎在人类运动调控机制中的作用进行运动规划，并采用基于零力矩点、中枢模式发生器以及生物反射模型的控制方法实现机器人自然的生物步态和协调的全身运动；通过开发物理样机验证系统对脊椎仿生机构设计的合理性、调控机理分析的正确性以及运动规划的有效性进行验证。项目的研究成功将促进仿人机器人实现良好的负载能力、自然的生物步态、协调的全身运动、较高的能源效率、较快的运动速度等优异性能，从而推动我国仿人机器人技术的发展。

仿人机器人的躯干具有支撑躯体和协调四肢的功能，对机器人实现良好的力学和运动性能具有极为重要的作用。以人类作为仿生设计的灵感来源，诸多研究者已对机器人四肢的仿生设计开展了大量的研究。但在躯干研究方面，虽然人类脊椎具有负载能力强、灵活度高、工作空间大等诸多优点，但因其具有高冗余关节的复杂结构，尚未发现有文献报道对其进行过有效的仿生设计。因此本课题提出从机器人学科的角度对脊椎开展多方位深入的研究，在充分探索脊椎的生理结构、作用机理及其在人类运动中调控作用的基础上，揭示脊椎具备诸多优点的深层次原因，能够为仿人机器人开发仿脊椎结构的躯干和运动规划为提供参考依据。. 主要研究内容包括：1)脊椎及其与肌肉韧带相互作用的生理结构及拓扑分析，通过研究构成脊椎的各类型椎骨的生理结构特点，建立脊椎与关联肌群、韧带相互作用的等效机构模型；2)脊椎及其与肌肉韧带相互作用的生物力学研究，研究脊椎与肌肉韧带相互作用的生物力学模型，对仿生机构开展轻量化设计、运动学及动力学研究；3)脊椎在人类运动调控机制中的关键作用研究，在多样化环境中进行实验揭示脊椎在人类运动中表现出来的优异性能的深层次调控机理，实现机器人自然的生物步态和协调的肢体运动的调控机理；4)仿脊椎结构的机器人躯干系统开发与实验验证，进行仿脊椎结构的机器人躯干系统的物理样机开发，对机器人仿脊椎躯干设计的合理性、可行性、控制机理分析的正确性以及控制算法的有效性进行实验验证。. 重要结果及其科学意义：通过从生理结构和运动机理等方面对人类脊椎展开研究，揭示了人类脊椎具有负载能力强、工作空间大、灵活度高的深层次原因，在此基础上进行仿生机器人躯干设计，创造性的提出基于广义六自由度串联的仿人机器人躯干结构，使机器人躯干具备了像人类脊椎一样的前后俯仰、左右侧弯以及旋转、大负载、工作空间大、运动灵活等运动功能和良好性能，改变了传统机器人躯干结构，使仿人机器人变得更加灵活生动。