人形机器人防跌保护中的被动—主动协同设计方法

《Biomimetics》：Passive–Active Cooperative Design Method for Fall Protection in Humanoid Robot

　　

人形机器人由于落地速度高、冲击时间短、峰值冲击力大，在不可恢复跌倒中易发生结构损伤。受人类保护策略即本能姿态调整与软组织吸能启发，研究人员提出一种被动—主动协同防跌方法，将触地前运动调控与触地后结构吸能相结合。被动保护方面，通过多方向跌倒仿真识别高风险接触区域，并在冲击能量吸收、峰值力降低、防压溃(anti-bottoming)安全、附加质量和厚度约束下优化多区域多层防护服。主动保护方面，使用可变高度倒立摆(VHIP)模型优化压力中心(CoP)与质心(CoM)轨迹，降低触地前残余冲击能量。再将残余冲击能量与被动防护层吸收能力匹配，形成触地前卸能与触地后吸能统一框架。在MATLAB–CoppeliaSim联合仿真及FCR人形机器人（约50 kg、1.65 m、22自由度）实物实验中，相较无保护情况，峰值等效冲击力由4819.1 N降至1038.2 N，降低78.5%，证明该方法可衰减冲击载荷并提升保护能力。

研究背景方面，人形机器人具有高质心、支撑面积小、自由度多的特点，稳定性依赖状态估计与控制低延迟，在外力扰动、非平整地形和摩擦不确定环境中可能进入不可恢复跌倒状态。跌倒危害主要体现在落地速度高使动能短时转化为结构变形与内部能，局部小接触面积产生过高局部峰值冲击力，以及关节姿态失控造成减速器、电机和传动机构损伤。既有研究里，被动保护多针对特定肢体、特定落段或单一方向，缺少兼顾多候选接触区、附加质量和吸能能力的全身系统设计中；主动保护虽能改善落姿与接触顺序，但全身动力学优化计算规模大、难以快速跌倒实时执行，且常未把触地瞬间结构保护与材料吸能联合优化。因此，论文发表在《Biomimetics》的该研究借鉴人类跌倒时屈髋屈膝降低质心、转身以大肌群区域触地、再由软组织被动变形吸能的机制，构建被动—主动协同框架。

主要关键技术方法上，研究人员采用多方向跌倒仿真识别候选保护区域并计算接触概率、冲击能与人致伤风险指数；以等效冲击质量、线速度、角速度估算区域最大冲击能E_j,max与峰值力F_j,max，用风险指数R_j筛选关键区。被动保护将外耐磨层、中吸能层、内缓冲层作为多层结构，以各层厚度t_i,j为变量，在吸能、峰值力、防压溃、总质量、总厚度约束下用二次规划求解。主动保护采用可变高度倒立摆(VHIP)模型描述质心水平与竖直动力学，以捕获点(capture point)越界判定不可恢复跌倒，在有限时域优化压力中心(u_x)与质心高度控制(u_z)，并把残余能量与被动层安全吸收容量做约束匹配。样本平台为FCR人形机器人，仿真用MATLAB R2023a与CoppeliaSim 4.1，实物实验以约200 N水平推躯干诱发向后跌倒。

研究结果如下。

2 被动保护：多区域多层防护服厚度优化。研究人员先把机体分为背、髋、肩、肘、膝、胸、盆骨等候选区，用多方向（前、左、右、斜）跌倒仿真得到各区接触概率P_j、最大冲击能E_j,max、最大峰值力F_j,max，按R_j=w_EE_j,max/E_ref+w_FF_j,max/F_ref+w_PP_j筛选关键区。再通过单位体积吸能W_i=∫σ_i(ε)dε、密实化应变ε_d,i与安全系数得可用压缩行程，建立总吸能E_abs,j=∑A_jW_it_i,j≥E_des,j、峰值力F_peak,j≤F_allow,j、应变ε_i,j≤ε_d,i、层厚上下界、总质量m_suit≤m_max、总厚度T_j≤T_max等约束，以最小化质量与层厚平滑性为目标用quadprog求最优厚度。结论是关键区如胸、背、髋、腰、肩、肘、膝、上臂、前臂、足底获得分层厚度，被动层只在触地后生效。

3 主动保护：基于VHIP的跌倒轨迹优化。研究人员用VHIP模型x?=m g/z (x?p)且z可变的水平动力学与捕获点r=c+?/ω判定跌倒不可恢复；状态含x、?、z、?，控制含u_x=p、u_z=z¨。经一阶欧拉离散后，目标函数惩罚水平速度、质心高度、控制跳变与终端残能E_res=1/2 m_eq(v_x²+v_z²)+m_eqg(z?z_ref)。约束含支撑域内CoP、摩擦锥、质心高度与竖直加速度限、终端低速度低高度，以及E_res≤Σ_j∈Cη E_abs,j的能量匹配。结论是主动保护在触地前把最大质心速度由约3.37 m/s降到2.72 m/s，降约19.3%。

4 仿真。在FCR模型上做四工况：无保护、仅被动、仅主动、协同。被动层用Kelvin–Voigt弹簧阻尼等效，法向力F=kδ+cδ?。结果显示仅被动峰值力由4819.1 N降至3014.3 N（降37.5%）；仅主动峰值力3151.4 N（降34.6%）；协同峰值力1038.2 N，较无保护降78.5%，且回弹更小、力脉冲更宽更平滑。研究人员由此说明主动改触地前运动、被动改触地后接触过程，二者顺序互补。

5 实验。实物FCR装肩、前臂、胸、腰、背、肘、膝护具，推上部躯干约200 N；倾角约14.0°时捕获点越界触发保护，屈髋膝降质心、双臂前摆，依次以后腰、背、肘触地，头最后接近地面，成稳定仰卧位。CoM位置三阶段为预测、保护、终止；关节角连续，膝负角为坐标约定下的正常屈曲。结论为协同策略可在真机平稳执行并消减落地剧烈冲击。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：本文提出人形机器人防跌的被动—主动协同方法，借多方向跌倒仿真确定关键区并在保护与轻量化约束下优化多层厚度；用VHIP调节CoP与CoM轨迹，并把主动后残余能量与被动层吸收能力匹配。向后跌倒仿真中被动保护峰值等效冲击力降低37.5%，协同方法进一步降至1038.2 N，较无保护降78.5%；FCR实物实验证实保护动作可平滑执行并达成稳定仰卧姿态。未来工作将在复杂落姿与不同地面条件下系统验证该框架。