近幾年ICRA、IROS、ROBOMECH、T-RO、T-MRB等頂會(huì)、頂刊的科研成果可以說(shuō)明這一點(diǎn)。

兼多職的波士頓動(dòng)力打工狗、和特斯拉飆車的ANYMAL四足機(jī)器人、栩栩如生的普渡大學(xué)蜂鳥(niǎo)機(jī)器人，可用于救災(zāi)的伍斯特理工蛇形機(jī)器人……國(guó)外仿生機(jī)器人研究屢見(jiàn)不鮮。

國(guó)內(nèi)有像鳥(niǎo)一樣穿過(guò)樹(shù)林的浙大無(wú)人機(jī)、打卡地球最深海溝的仿獅子魚(yú)機(jī)器人、哈工大仿象鼻柔性機(jī)器人、可用于海洋生物探測(cè)的北航?魚(yú)機(jī)器人……這些響當(dāng)當(dāng)?shù)拇嬖?，都曾登上頂刊封面，為大家喜聞?lè)見(jiàn)。

縱觀仿生機(jī)器人發(fā)展史，從早期對(duì)生物外形的模仿，到行動(dòng)的模仿，再到如今利用傳感器和數(shù)據(jù)融合技術(shù)來(lái)對(duì)環(huán)境的變化做出正確的判斷和反應(yīng)，從而適應(yīng)環(huán)境的變化，正一步步朝著智能化的方向發(fā)展。

那么仿生機(jī)器人是如何學(xué)習(xí)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性、輸出數(shù)據(jù)驗(yàn)證其性能以及獲得位姿數(shù)據(jù)反饋的呢？

▍ 國(guó)外前沿科技成果及動(dòng)捕作用

一種簡(jiǎn)單且有效的方式，就是采用動(dòng)作捕捉方案。

讓我們先從國(guó)外各大頂尖高校的案例中，來(lái)看看動(dòng)作捕捉都是如何被運(yùn)用的。

先看近幾年很常見(jiàn)的仿生多足機(jī)器人，2021ICRA會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)，各家腿足式機(jī)器人齊聚亮相，好不熱鬧。

蘇黎世聯(lián)邦理工

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種用于星際探索的跳躍四足機(jī)器人spacebok。這個(gè)機(jī)器人可以像跳羚一樣四足騰空跳躍。研究人員還開(kāi)發(fā)了一種新的方法控制該機(jī)器人，可以僅使用四肢實(shí)現(xiàn)精確的跳躍和著陸。

在實(shí)際使用中，機(jī)器人會(huì)利用機(jī)載傳感器獲取數(shù)據(jù)。由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，所以使用了光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)跟蹤機(jī)器人，獲取機(jī)器人的高精度的位置、姿態(tài)、速度數(shù)據(jù)，用于狀態(tài)估計(jì)，相當(dāng)于簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程。

撲翼機(jī)器人也是仿生機(jī)器人領(lǐng)域一類重要方向。

仿生撲翼飛行器集仿生學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、能源、通信、控制等多學(xué)科交叉技術(shù)于一身，下面我們來(lái)看看具體研究。

西班牙塞維利亞大學(xué)

受到鷹的啟發(fā)，塞維利亞大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)撲翼機(jī)器人E-Flap，可以滿足100%有效載荷。

由于該階段主要是驗(yàn)證機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和飛行控制性能，撲翼機(jī)上沒(méi)有搭載過(guò)多的傳感器，需要利用外置設(shè)備獲取位置信息。

實(shí)驗(yàn)中使用光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)撲翼機(jī)進(jìn)行定位，數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)載電腦進(jìn)行飛行控制?？梢钥吹?，不同負(fù)載下飛行軌跡以及角度變化由動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行采集。

作為仿生機(jī)器人的一項(xiàng)重要分支，蛇形機(jī)器人的易于偽裝、隱蔽性高、結(jié)構(gòu)緊密和高集成化的特點(diǎn)，使其能夠滿足偵察、巡邏等軍事需求。

伍斯特理工學(xué)院

伍斯特理工學(xué)院的研究人員建立了一種多物理場(chǎng)環(huán)境下高度擬真的氣動(dòng)軟體蛇形機(jī)器人仿真模型。通過(guò)實(shí)物機(jī)器人驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)做捕捉系統(tǒng)用來(lái)獲取準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)機(jī)器蛇的彎曲角度以及運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，作為仿真結(jié)果的參考值。

再來(lái)說(shuō)所仿生機(jī)械臂，有些場(chǎng)地復(fù)雜沒(méi)有足夠的移動(dòng)空間則需要更為靈活的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)抓取。自然界中象鼻、章魚(yú)爪、蛇等生物結(jié)構(gòu)都為連續(xù)體機(jī)器人的開(kāi)發(fā)提供了參考。

帝國(guó)理工

帝國(guó)理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種開(kāi)源的三段連續(xù)機(jī)器人機(jī)械手。這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)由低成本現(xiàn)成組件構(gòu)成，包括CAD文件和源代碼等在內(nèi)的內(nèi)容完全開(kāi)源。

為了評(píng)價(jià)機(jī)器人的性能，研究人員在機(jī)械臂末端粘貼了一個(gè)反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)，利用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來(lái)跟蹤記錄機(jī)器人可探索的工作空間，結(jié)果表明半球工作空間中點(diǎn)的均勻分布。

▍ 國(guó)內(nèi)前沿科技成果及動(dòng)捕作用

在國(guó)內(nèi)，有很多高校和科研院所使用穩(wěn)定性高的亞毫米級(jí)精度光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采集被捕捉目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)全過(guò)程。

作為機(jī)器人系統(tǒng)性能驗(yàn)證的參考真值，這樣的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人、多足、撲翼以及水下的仿生海豚機(jī)器人等。

我們同樣從多足機(jī)器人、撲翼機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、仿生機(jī)械臂這幾類常見(jiàn)的仿生機(jī)器人中各舉一例來(lái)重點(diǎn)介紹。

上海交大

以高峰教授為帶頭人的上海交通大學(xué)智能行走作業(yè)機(jī)器人研究中心團(tuán)隊(duì)，致力于多足機(jī)器人方面的研究。該團(tuán)隊(duì)主要對(duì)多足機(jī)器人在不同環(huán)境下的交互、步態(tài)進(jìn)行分析，建立路徑規(guī)劃、自適應(yīng)控制、穩(wěn)定性判定以及上下樓梯各腿間的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)，在研究過(guò)程中需要對(duì)機(jī)器人的六足進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。

該團(tuán)隊(duì)最終選擇了NOKOV度量光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，期望以此進(jìn)行精確的標(biāo)定數(shù)據(jù)采集。在長(zhǎng)9米寬6米的空間內(nèi)，架設(shè)了8個(gè)Mars 2H動(dòng)作捕捉鏡頭，通過(guò)捕捉機(jī)器人“軀干”和“四肢”的關(guān)節(jié)上的反光標(biāo)志點(diǎn)，以60Hz的采樣頻率進(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)作采集，得到各反光標(biāo)志點(diǎn)三維空間坐標(biāo)。

這些數(shù)據(jù)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行廣播，通過(guò)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)自帶的SDK，機(jī)器人團(tuán)隊(duì)以此可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)以進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析和反饋，得以確認(rèn)六足機(jī)器人各足的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)六足的校準(zhǔn)標(biāo)定以及各腿間的動(dòng)作協(xié)調(diào)。

除了該團(tuán)隊(duì)，山東大學(xué)、天津大學(xué)等高校也正使用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行多足機(jī)器人的控制分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

哈工大

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）徐文福老師團(tuán)隊(duì)，為了獲取更大空間內(nèi)仿生撲翼飛行器的飛行位置和姿態(tài)，在NOKOV度量燕郊動(dòng)捕實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿生撲翼飛行器飛行實(shí)驗(yàn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)捕捉空間大、精度要求高，撲翼飛行器上粘貼主動(dòng)marker。

山東大學(xué)、北京科技大學(xué)等 高校的撲翼機(jī)器人團(tuán)隊(duì)也正使用該動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究。

中國(guó)礦大

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)唐超權(quán)教授帶領(lǐng)的課題組開(kāi)發(fā)了一款蛇形機(jī)器人，用于代替人工進(jìn)行高空電纜巡檢。該蛇形機(jī)器人由9個(gè)相同的關(guān)節(jié)、一個(gè)集控制系統(tǒng)與供電一體的模塊和頭部的感應(yīng)器組成。

為了使蛇形機(jī)器人有一定的自主性，機(jī)器人搭載了豐富的傳感器。機(jī)器人需要利用慣性傳感器的信息有效估計(jì)自身的狀態(tài)，因此各個(gè)關(guān)節(jié)姿態(tài)控制和姿態(tài)解算就成為了機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

為此，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)使用了NOKOV度量光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)來(lái)捕捉機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)利用8個(gè)Mars 2H紅外光學(xué)動(dòng)作捕捉鏡頭，捕捉固定在蛇形機(jī)器人各關(guān)節(jié)上Marker標(biāo)記點(diǎn)，從而獲取蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每個(gè)關(guān)節(jié)的位置坐標(biāo)和角度變化，作為參考量。通過(guò)將慣性傳感器信息融合后解算出的位姿和動(dòng)作捕捉系統(tǒng)獲取的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了算法的有效性。

吉林大學(xué)

吉林大學(xué)機(jī)械與航天工程學(xué)院的馮美老師團(tuán)隊(duì)從力平衡的角度，提出了一種具有恒定曲率的柔性手術(shù)器械的結(jié)構(gòu)，可以快速精確響應(yīng)指令，滿足實(shí)時(shí)手術(shù)的主從控制要求。為了驗(yàn)證該柔性手術(shù)器械在精細(xì)操作下的性能，研究人員進(jìn)行了原型機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中采用NOKOV度量光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取主手（醫(yī)生控制）和從動(dòng)手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)軌跡信息作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將反光標(biāo)志點(diǎn)分別固定在主手和器械的末端執(zhí)行器上。通過(guò)對(duì)比兩條軌跡重合度來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)性能。

實(shí)驗(yàn)得出柔性手術(shù)器械在 x、y 和 z 方向的預(yù)期和實(shí)際軌跡的 RMSE 分別為 0.498、0.399 和 0.051。證明了該手術(shù)器械機(jī)構(gòu)可以很好地在主從操作下進(jìn)行精細(xì)操作。

航天檢測(cè)、醫(yī)療導(dǎo)航等對(duì)定位精度要求較高的項(xiàng)目中，也能看到NOKOV光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的身影。

光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)在自動(dòng)化科研領(lǐng)域，正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用：2021年的ICRA的1949篇論文中，688篇使用了光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（35.3%），相比2020年增加了75篇；2021年的IROS的1943篇論文中，625篇使用了光學(xué)三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（32.2%），相比2020年增加了68篇。相形之下，2020年中國(guó)自動(dòng)化大會(huì)的1768篇論文中，僅46篇使用了光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（2.6%）。