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

📄 arXiv: 2410.23682v1 📥 PDF

作者: Shintaro Inoue, Kento Kawaharazuka, Temma Suzuki, Sota Yuzaki, Yoshimoto Ribayashi, Yuta Sahara, Kei Okada

分类: cs.RO

发布日期: 2024-10-31

备注: Accepted Humanoids2024, website - https://shin0805.github.io/cubixmusashi/, YouTube - https://youtu.be/IvzP98-r_mo

DOI: 10.1109/Humanoids58906.2024.10769840

💡 一句话要点

CubiXMusashi：融合线驱动CubiX与肌肉骨骼人Musashi，实现无限性能

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 肌肉骨骼人形机器人 线驱动机器人 机器人融合 环境交互 运动控制

📋 核心要点

  1. 肌肉骨骼人形机器人虽然能模仿人体运动，但其高自由度和复杂控制使其运动能力受限。
  2. CubiXMusashi通过线驱动机器人CubiX与环境连接，克服了传统肌肉骨骼人形机器人的运动局限。
  3. 实验证明，CubiXMusashi能够完成引体向上等Musashi单独无法完成的复杂运动。

📝 摘要（中文）

本研究将肌肉骨骼人形机器人Musashi与线驱动机器人CubiX相结合，构建了CubiXMusashi。肌肉骨骼人形机器人旨在模仿人体结构和运动功能，由骨骼框架和大量肌肉驱动器组成，能够实现灵活复杂的运动。然而，其建模、仿真和控制极具挑战性，限制了可行的运动和任务。CubiXMusashi通过线缆连接环境并驱动自身，克服了传统肌肉骨骼人形机器人的局限性，实现了引体向上、从躺姿起身和空中踢腿等Musashi单独难以完成的动作。该概念表明，各种人形机器人，不仅限于肌肉骨骼人形机器人，都可以通过连接环境和线驱动来减轻物理约束并获得新的能力。

🔬 方法详解

问题定义：肌肉骨骼人形机器人由于其复杂的肌肉骨骼结构和高自由度，在建模、仿真和控制方面面临巨大的挑战。这导致它们在运动能力和可执行任务方面受到限制，难以实现一些需要与环境交互的复杂动作。现有方法难以有效利用环境信息来扩展机器人的运动能力。

核心思路：本研究的核心思路是将肌肉骨骼人形机器人Musashi与线驱动机器人CubiX融合，利用CubiX与环境的连接能力，为Musashi提供额外的驱动力和支撑，从而突破其自身的运动限制。通过线缆连接环境，机器人可以执行一些原本无法完成的动作，例如引体向上和空中踢腿。

技术框架：CubiXMusashi的整体架构包含两个主要部分：肌肉骨骼人形机器人Musashi和线驱动机器人CubiX。CubiX通过线缆与环境中的固定点连接，并控制线缆的长度来产生拉力。Musashi则负责执行具体的运动。两者协同工作，CubiX提供支撑和驱动力，Musashi执行运动。控制系统需要协调CubiX的线缆控制和Musashi的关节控制，以实现期望的运动。

关键创新：本研究的关键创新在于将线驱动机器人与肌肉骨骼人形机器人相结合，创造了一种新型的机器人系统。这种组合方式能够有效地利用环境信息，扩展机器人的运动能力。与传统的肌肉骨骼人形机器人相比，CubiXMusashi能够执行更多样化和复杂的任务。

关键设计：CubiX的关键设计在于其线缆驱动系统，需要精确控制线缆的长度和张力，以保证机器人的稳定性和运动精度。Musashi的关键设计在于其肌肉骨骼结构和控制算法，需要模拟人体的肌肉运动方式，实现灵活的运动。两者之间的协调控制是实现复杂运动的关键，需要设计合适的控制策略，例如力位混合控制。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，CubiXMusashi成功实现了引体向上、从躺姿起身和空中踢腿等Musashi单独难以完成的动作。这些动作展示了CubiXMusashi在运动能力方面的显著提升。通过与环境的连接，CubiXMusashi能够克服自身的物理限制，实现更复杂和多样化的运动。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于康复机器人、辅助机器人和搜救机器人等领域。通过与环境的交互，机器人可以帮助行动不便的人群完成日常活动，或在危险环境中执行任务。未来，该技术有望应用于外骨骼机器人，增强人类的力量和运动能力。

📄 摘要（原文）

Humanoids exhibit a wide variety in terms of joint configuration, actuators, and degrees of freedom, resulting in different achievable movements and tasks for each type. Particularly, musculoskeletal humanoids are developed to closely emulate human body structure and movement functions, consisting of a skeletal framework driven by numerous muscle actuators. The redundant arrangement of muscles relative to the skeletal degrees of freedom has been used to represent the flexible and complex body movements observed in humans. However, due to this flexible body and high degrees of freedom, modeling, simulation, and control become extremely challenging, limiting the feasible movements and tasks. In this study, we integrate the musculoskeletal humanoid Musashi with the wire-driven robot CubiX, capable of connecting to the environment, to form CubiXMusashi. This combination addresses the shortcomings of traditional musculoskeletal humanoids and enables movements beyond the capabilities of other humanoids. CubiXMusashi connects to the environment with wires and drives by winding them, successfully achieving movements such as pull-up, rising from a lying pose, and mid-air kicking, which are difficult for Musashi alone. This concept demonstrates that various humanoids, not limited to musculoskeletal humanoids, can mitigate their physical constraints and acquire new abilities by connecting to the environment and driving through wires.