一种用于研究运动过程中生物力学功能的犬类肌肉骨骼机器人

《Advanced Robotics Research》：A Canine Musculoskeletal Robot for Investigating Biomechanical Functions During Locomotion

本研究通过仿生学方法设计并实现了犬类前肢的悬挂结构模型，利用薄型麦科本气动人工肌肉模拟肩部肌肉群。实验表明，主动调节肩部气压可显著延长前肢步幅，在悬空和地面行走条件下验证了悬挂结构的动态适应性，为仿生机器人步态优化提供了新思路。

　　本研究探讨了如何通过仿生学的方法，模仿犬类前肢的结构特征，特别是其独特的“吊床结构”，从而更深入地理解这种结构在运动中的作用，并为四足机器人设计提供新的思路。犬类的前肢由于缺乏锁骨，无法像其他动物那样通过骨骼关节连接躯干，而是依靠肌肉等软组织实现连接。这种结构使得前肢能够更加灵活地与躯干连接，从而在运动中表现出不同的优势，如增强运动效率、提高稳定性等。相比之下，后肢则通过髋关节与躯干连接，具有较为固定的运动模式。然而，在机器人研究中，这种前肢的“吊床结构”却很少被关注，尽管它在生物运动中扮演着关键角色。

本研究中，我们构建了一种基于薄型麦金布伦（McKibben）人工肌肉的四足仿生机器人，旨在更准确地模拟犬类前肢的结构和运动特性。麦金布伦人工肌肉因其轻便、灵活以及即使在弯曲状态下也能收缩的特性，成为模仿生物肌肉的理想选择。通过使用这些人工肌肉，我们成功地复制了犬类肩部的多组肌肉，包括连接肩胛骨和肱骨的肌肉，从而实现了肩胛骨的旋转和移动。这种结构使得机器人能够进行更接近真实犬类的运动模式，如直线行走。实验结果显示，通过调节肩部肌肉的气压，可以影响运动的步幅长度，从而验证了“吊床结构”在运动中的重要作用。

在实验过程中，我们对机器人的肩部肌肉进行了多种条件下的测试，包括不同气压下的激活模式。当肩部肌肉被施加气压时，其收缩程度增加，导致步幅变长，从而提高了行走速度。然而，当气压过高时，肩胛骨的运动自由度受到限制，步幅反而减小。这表明，肩部肌肉的主动收缩对于维持运动的连贯性和提高效率至关重要。此外，我们还发现，在肩部肌肉未被激活的情况下，机器人的行走速度较低，主要原因是缺乏足够的步幅长度。这些实验结果表明，模拟犬类前肢的“吊床结构”不仅有助于提升机器人的运动性能，还可能为未来的机器人设计提供新的参考。

为了进一步验证这种结构的优越性，我们对机器人的前肢和后肢分别进行了实验。在前肢部分，我们观察到在施加气压后，肩胛骨的运动轨迹更加丰富，能够实现更复杂的动作，如向前后移动和旋转。而在后肢部分，通过调整气压，我们能够更有效地模拟犬类后肢的运动模式，提高其行走的稳定性和效率。这些实验不仅展示了仿生结构的可行性，还揭示了肩部肌肉在运动中的关键作用。

此外，我们还考虑了机器人的其他部分，如腿部和脚部的结构设计。为了增强机器人在不同环境下的适应能力，我们在脚部使用了弹性材料，以提高摩擦力和接触面积。同时，为了减少对肩部肌肉活动的干扰，我们设计了不与肌肉直接接触的支撑结构，从而确保机器人能够以更自然的方式行走。这些设计细节不仅提升了机器人的运动性能，还使其在复杂地形中表现出更强的适应性。

本研究的成果表明，通过模拟犬类前肢的“吊床结构”，可以显著提高四足机器人在运动中的灵活性和效率。这一发现不仅有助于进一步理解犬类的生物力学机制，还可能推动机器人技术的发展，使未来的机器人能够更好地模拟生物的运动方式。然而，目前的机器人仍然存在一些局限性，如气压响应速度慢、关节活动范围受限等。这些问题需要在后续研究中加以解决，例如改进气压系统的响应速度，或通过更先进的材料和技术来提升关节的活动范围。

总体而言，本研究通过构建一种基于仿生结构的四足机器人，验证了犬类前肢“吊床结构”在运动中的重要性，并为未来机器人设计提供了新的思路。我们相信，随着相关技术的不断进步，仿生机器人将在更多领域发挥重要作用，如搜救、勘探、医疗辅助等。同时，本研究也为生物力学和机器人工程之间的交叉研究提供了宝贵的参考，有助于推动两者的融合发展。