【IJAC热文】法国院士J. P. Laumond：类人机器人中生物行走机理的最新发现

【IJAC导读】本周，小编为您推荐IJAC 6月刚刚上线的另一篇热文：文章作者法国国家技术研究院院士、 LAAS-CNRS（法国国家科学研究中心-系统分析与系统结构实验室）主任Jean-Paul Laumond 及其团队基于其去年提出的质心（center of mass）估计算法，建构出一种新的人行走时质心移动轨迹的几何模型，并发现质心移动轨迹遵循“短幅摆线”（curtate cycloid）轨迹（定义一个短幅摆线只需3个与质心相关的参数），这一发现为设计双足行走机器人提供了新的思路！

Laumond院士团队已将此方法成功应用于Yoyo-Man模型中，这种模型可以替代现有的双足机器人控制方法，这为类人行走中相关计算基础的研究开辟了新的研究视角。本研究为ERC （欧洲研究委员会）Actanthrope Project项目中部分内容。

图片来自SpringerLink

下面，就随小编一起读文章、找亮点吧！

我们每移动一下身体，就会“惊动”全身至少600块肌肉，这就意味着看似简单的迈步行走其实是一项非常复杂的运动。我们希望类人机器人也能够像人一样行走，遵循与人相似的行走轨迹。那么，人类运动轨迹的计算基础是什么？

图片来自网络

在研究人类双足行走时，质心（Center of Mass）（即质量中心，指物质系统上被认为质量集中于此的一个假想点）是一个非常关键的描述符。对于双足行走，当前主要有两类研究方法：一类以人类可将垂直位移最小化这一假设为前提，另一类方法借助倒立摆模型来表达行走动态。通过这两类方法，最终会得出两种相互矛盾的质心运动表达模型：前者为直线段，后者为圆弧。如何才能克服这两类方法带来的矛盾呢？

图片来自LAAS-CNRS实验室

针对这一问题，法国国家技术研究院院士Jean-Paul Laumond 及LAAS-CNRS 团队成员J. Carpentier博士和M. Benallegue博士曾合作开展过一项理论研究：运用运动捕捉和测力台观测质心位置，而后提出一种准确度更高的、基于互补滤波测量质心位置的新方法。

在此算法基础上，三位合作者又构建出人行走时质心移动轨迹的几何模型，并发现质心移动轨迹遵循“短幅摆线”（curtate cycloid），“短幅摆线”由三个参数决定，行走物体的高度又决定了这三个参数，这一发现大大简化了类人机器人控制模型的设计。换言之，通过研究运动协同机理而得出的这一新模型，简化了类人机器人的结构设计和控制算法，为研制双足行走机器提供了一种新思路！

图片来自文章

本研究五大亮点

1. 更准确：本模型在垂直运动中的误差水平较现有模型低一个数量级

2. 更简洁：本模型仅用3个参数即可描述所有质心运动轨迹，保持了几何解释的简单性和直观性

3. 更稳定：针对多变的步态，本模型参数具有稳定性，即可测量单独的一步，也可测量连续的相对稳定的步态

4. 免分段：短幅摆线是一条完整连续的单线，无需分段描述不同运动阶段

5. 更实用：可用于研究其他运动特征，如行走运动生成时，若发生感觉障碍，将会带来何种影响。

读罢文章，小编不禁感慨，Laumond院士正是在“更好地理解自然现象，并把它们变换成工程实践”，如他所言：

对于机器人和生物而言，物理空间中描述的动作与源于运动空间的运动之间存在着某种关联，这种关联一般会转向几何学求解，具体来说是线性代数。在生命科学中，在感觉运动控制中应用最优化原理后，解开了经验数据的谜团。自二十世界七十年代以来，把机器人的动作描述为拟优化的运动这一理念已经在机器人学中得到了发展。

        ——《中国计算机学会通讯》2015年第5期

                 作者：JEAN-PAUL LAUMOND等

全文信息 (Open Access)

Title: On the center of mas motion in human walking

Authors:Justin Carpentier, Mehdi Benallegue, Jean-Paul Laumond

Abstract：The center of mass (CoM) is a key descriptor in the understanding and the analysis of bipedal locomotion. Some approaches are based on the premise that humans minimize the CoM vertical displacement. Other approaches express walking dynamics through the inverted pendulum model. Such approaches are contradictory in that they lead to two conflicting patterns to express the CoM motion: straight line segments for the first approaches and arcs of a circle for the second ones. In this paper, we show that CoM motion is a trade-off between both patterns. Specifically, CoM follows a “curtate cycloid”, which is the curve described by a point rigidly attached to a wheel rolling on a flat surface. We demonstrate that all the three parameters defining a curtate cycloid only depend on the height of the subjects.

Keywords：Human locomotion, analytical model, centre of mass, locomotion signature, synergies.

Full Text：

https://link.springer.com/article/10.1007/s11633-017-1088-5

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 【Full text】

https://link.springer.com/article/10.1007/s11633-017-1075-x

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