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步行机器人2.0时代-被动步行的突破及开端

  近期日本研究所在“被动步行”理论领域取得重大突破,通过十几年的不懈努力解决了被动步行中局部稳定性弱、抗干扰能力不足和收敛到稳定极限环的收敛速度低等关键性难题同时开发出其真实工程上的第一应用“aLQ无动力步行辅助器”。此次突破奠定了高效,自然步行机器人研究的理论基础,更意味着人类正式进入步行双足机器人的2.0时代。

  被动步行理论是受到哈佛大学学者Mochon和Mcmahon所提出的“弹道步行”模型的启发,由加拿大学者McGeer于20世纪90年代所提出。被动步行是一种研究步行系统,步行稳定性和步行动力学的方法,简单理解就是被动步行理论提出人类行走不仅仅依靠人类肌肉主动去实施来完成,同时需要外力迫使来实现,而这个外力就是重力。正因为这样的机制人类才可能实现超高效和自然稳定的步行。

  图1:无动力被动步行机器人

  目前,全世界各国都研制出很多双足步行机器人,其中较为先进就是本田的ASIMO。ASIMO经过30年研制和11次换代现在已经能实现不同速度的稳定步行,而且还能实现慢速跑动步态以及转弯、上下楼梯等动作。但现在所有研制出来的双足步行机器人都是根据ZMP(零力矩点)稳定准则对各个关节进行动作预设来实现的,这类机器人都算是主动步行机器人。与人类步行相比它们所实现的步态更加不自然和不流畅。另外,复杂的控制和驱动系统造成了此类机器人的能量效率相当低下,例如:ASIMO能耗比被动步行机器人高20倍以上。

  被动步行理论的提出为实现更高效更自然的双足步行机器人提供可能,大量的人类步行生物力学研究结果证明,被动步行机器人是一类从内在运动机理上仿人步行的机器人,它已经成为机器人领域的研究热点之一。日本研究所于2009年研制的无动力被动步行机器人创下了连续步行13小时45分钟(15.2km)的世界记录,这更加证实了被动步行的可靠性。

  图2:被动步行机器人获世界记录

  aLQ无动力步行辅助器的发布

  此次日本研究所同时还发布了一款基于被动步行原理上开发的福祉设备“aLQ无动力步行辅助器”,据称该设备是目前世界上推出的无动力源步行支援机。主要针对脑中风导致偏瘫(半身不遂)的病人和高龄步行困难的老人。根据公开资料显示aLQ无动力步行辅助器采用穿戴式设计,整体结构比较简单而且重量只有550g,使用者穿在身上不会有任何的负担。

  图3:aLQ无动力步行辅助器

  被动步行的意义

  被动步行的研究成果可以在以下三个方面得到应用:

  (1)为人体下肢假肢和步行辅助器设计提供指导。目前假肢和助行器大部分是传统型的,其重量大,性能差,因此假肢和助行器携带者舒适感差。由于被动步行运动与人类步行在内在运动机理上具有相似性,且质量轻,因此被动步行原理制成的假肢和步行辅助器有可能成为传统型类型的替代者。

  (2)为双足机器人的研制提供指导,使机器人能够实现以仿人的步态低能耗步行。

  (3)更加深入了解人类的步行行为。人类步行的复杂性也给广大学者研究 人类步行机理制造了一个难题。人类步行机理的研究与步行机器人的研究是一 个相互促进的过程,通过深入研究被动步行机器人也可以深入了解人类的步行 行为。

  如今第一点率先由“aLQ无动力步行辅助器”实现,相信在不久的未来二,三点也很快会相信被动步行技术终会成为世界主流。

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