CubiXMusashi：結合線驅動機器人 CubiX 與肌肉骨骼人形機器人 Musashi 以實現無限潛力

核心概念

結合環境連接線驅動機器人和肌肉骨骼人形機器人，可以克服傳統人形機器人的物理限制，實現更廣泛的運動能力，例如從地面起身和空中踢腿。

摘要

研究背景
近年來，人形機器人的發展取得了顯著進展，出現了各種全尺寸人形機器人，例如 DRC-HUBO+、Digit、ARTEMIS 和 Atlas。此外，為了模擬人體結構和運動功能，也開發了肌肉骨骼人形機器人，例如 ECCEROBOT、Pneumat-BS 和 Anthrob。
肌肉骨骼人形機器人的特點是骨骼結構中包含具有高度自由度的關節，例如球形關節和萬向節，這些關節由許多類似於肌肉的致動器驅動。利用這些靈活的身體和高度的自由度，人形機器人已經能夠像人類一樣執行靈活和複雜的動作，例如駕駛汽車。然而，它們身體的靈活性和高度的自由度使得對整個機器人身體進行精確建模和模擬變得極其困難。因此，精確和靈敏的控制具有挑戰性，並且可實現的運動和任務範圍受到限制。
研究方法
本研究將肌肉骨骼人形機器人 Musashi 與能夠連接到環境的線驅動機器人 CubiX 相結合，形成 CubiXMusashi。這種整合旨在實現傳統肌肉骨骼人形機器人無法實現的運動能力。
CubiXMusashi 的硬件結構如下：

Musashi：一個全尺寸的肌肉骨骼人形機器人，由肌肉致動器、關節和骨骼組成。
CubiX：一個嵌入式線驅動機器人，通過將多條從身體延伸到環境中的線連接起來並纏繞以進行驅動。
連接部件：將 CubiX 和 Musashi 組裝在 Musashi 後骨盆區域。
CubiXMusashi 的系統配置和控制器如下：

獨立的控制器：Musashi 和 CubiX 分別由各自的計算機控制。
同步操作：通過兩台計算機之間的通信實現同步，以產生 CubiXMusashi 的整體運動。
Musashi 控制：使用自體圖像進行全身控制，採用以下兩個神經網絡進行推理：

一個神經網絡將規劃器提供的目標關節角度作為輸入，並輸出理想的肌肉長度。
一個神經網絡將目標關節角度和每個肌肉模塊測量的肌肉張力作為輸入，並輸出補償肌肉長度，使理想的肌肉長度適用於實際機器人。

CubiX 控制：執行線長的 PD 控制，使從電機旋轉角度計算出的每條線長接近規劃器要求的目標線長，並使從電機旋轉速度計算出的每條線速度接近 0。
實驗結果
本研究進行了三種類型的實驗，以展示 CubiXMusashi 的運動能力：引體向上運動實驗、從躺臥姿勢起身實驗和空中踢腿實驗。

**引體向上運動實驗：**CubiXMusashi 通過向上連接到環境的四根線拉起自身重量來進行引體向上運動。在這個過程中，Musashi 只是抓住引體向上桿，而沒有用手臂施加任何力量。這表明人形機器人可以利用連接到環境的線產生運動，而無需自身用力。
**從躺臥姿勢起身實驗：**CubiXMusashi 利用八根線從地面上的躺臥姿勢轉變為站立姿勢。與其他兩個實驗不同的是，有兩根線是從 CubiX 連接到 Musashi，而不是連接到環境。這表明線驅動人形機器人的性能提升不僅限於使用連接到環境的線，還可以通過在人形機器人體內連接線來增強人形機器人根據需要施加的力量。
**空中踢腿實驗：**CubiXMusashi 利用五根連接到環境的線在空中進行踢腿。雖然引體向上和起身動作對肌肉骨骼人形機器人來說具有挑戰性，但由於其剛性體和優越的可控性，一般軸驅動人形機器人有可能實現這些動作。然而，即使是對於這種人形機器人來說，本實驗中實現的空中旋轉踢腿也被認為是困難的。因此，利用連接到環境的線來獲得運動不僅適用於肌肉骨骼人形機器人，也適用於一般人形機器人。

總結
本研究證明了 CubiXMusashi（能夠連接到環境的線驅動機器人 CubiX 與肌肉骨骼人形機器人 Musashi 的融合體）可以通過纏繞連接到環境或自身的線來產生運動。通過將 CubiX 與 Musashi 相結合，並將多達八根線從身體連接到環境以進行驅動，我們實現了以前在肌肉骨骼人形機器人中無法實現的運動，這些機器人的特點是具有高度自由度的靈活和複雜的身體。
實驗結果表明，肌肉骨骼人形機器人和一般人形機器人都可以通過利用連接到環境或自身的線來進行驅動，從而獲得以前無法實現的新能力和運動。

統計資料

CubiXMusashi 身高 1.6 公尺，體重 44.6 公斤（不含電池）。
CubiX 配備 8 個線模組，每個模組的最大持續張力為 180 牛頓。
在引體向上實驗中，CubiXMusashi 將整個身體向上提升了約 0.53 公尺。

從以下內容提煉的關鍵洞見

CubiXMusashi: Fusion of Wire-Driven CubiX and Musculoskeletal Humanoid Musashi toward Unlimited Performance

by Shintaro Ino... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.23682.pdf

深入探究

如何讓線驅動機器人更有效地與環境互動，例如自動連接和斷開線纜？

線驅動機器人與環境的自動交互是拓展其應用場景的關鍵，實現自動連接和斷開線纜可以通過以下幾種途徑：

設計專用的連接機構: 可以借鉴现有工业机器人的自动换工具系统，为线驱动的 CubiXMusashi 机器人设计末端执行器，使其能够抓取和释放预先设置在环境中的线缆连接点。例如，可以设计一种类似于安全扣的机构，机器人可以通过简单的操作完成连接和断开。
结合视觉识别和机械臂操作: 为机器人配备摄像头和图像识别系统，使其能够识别环境中的线缆连接点。然后，机器人可以利用自身配备的机械臂或其他操作机构，将线缆连接到连接点，或从连接点上断开。
利用无人机辅助连接: 对于难以到达的连接点，可以利用无人机进行辅助连接。无人机可以携带线缆飞到指定位置，并将线缆连接到连接点上。
开发新型线缆材料和连接方式: 探索新型线缆材料，例如具有自吸附功能的材料，可以使机器人更容易地连接和断开线缆。 此外，还可以开发无线能量传输技术，从根本上摆脱对物理线缆的依赖。

除了上述方法，还可以结合机器学习技术，使机器人能够从过往的连接和断开经验中学习，不断优化操作策略，提高连接和断开的效率和成功率。

線驅動機器人的設計是否會限制其在某些環境中的應用，例如狹窄的空間或複雜的地形？

的確，線驅動機器人的設計會在一定程度上限制其在某些環境中的應用。

狹窄空間: 線驅動機器人需要一定的空間來佈置和操作線纜，在狹窄的空間中，線纜可能會與環境產生干涉，影響機器人的運動和操作。
複雜地形: 在複雜地形中，線纜可能會被障碍物缠绕或卡住，限制機器人的活動範圍和靈活性。
線纜管理: 線纜的管理和维护也是一个挑战，尤其是在复杂环境中，需要避免线缆的缠绕、打结和磨损。
为了克服这些限制，可以采取以下措施：

优化线缆佈局: 设计更加紧凑和灵活的线缆佈局方式，例如使用可伸缩的线缆或将线缆集成到机器人的结构中。
开发新型线缆材料: 使用更加耐磨、抗缠绕和柔性更强的线缆材料。
结合其他驱动方式: 将线驱动与其他驱动方式（如轮式、履带式）相结合，以适应不同的环境和任务需求。
智能路径规划: 利用传感器信息和算法进行智能路径规划，避开障碍物，减少线缆与环境的干涉。

線驅動機器人的發展對人類的未來生活和工作會產生哪些影響？

線驅動機器人的發展將為人類的未來生活和工作帶來許多積極的影響：

更安全的人机交互: 線驅動機器人通常比傳統機器人更輕便、更柔順，可以更安全地與人類进行交互，例如在医疗康复、服务机器人等领域具有巨大的应用潜力。
拓展人类活动范围: 線驅動機器人可以帮助人类完成在复杂、危险环境中的工作，例如高空作业、深海探测、灾后救援等。
个性化定制和低成本制造: 線驅動機器人的模块化设计和制造更加简便，可以根据不同的需求进行个性化定制，降低制造成本，促进其在更多领域的普及应用。
总而言之，线驱动机器人作为一种新兴的机器人技术，具有很大的发展潜力，将为人类的未来生活和工作带来诸多益处。