通过仿生启发优化提升仿生机器人肘—前臂系统性能

本文阐述了模仿人体骨骼与韧带系统复杂生物力学的创新型机器人前臂与肘部设计的构建与验证。传统机器人模型常低估软组织的重大作用，导致在紧凑性、安全性、稳定性与运动范围之间妥协。相比之下，本研究提出对生物关节（包括骨、软骨、韧带与肌腱）的整体复现，最终制成一台仿生机器人。研究强调了人前臂紧凑且稳定的结构源于三骨框架与多样软组织。方法包括对人体解剖学的详尽考察，继而从理论上探究软组织对原型稳定性的贡献。评估结果显示机器人关节与人体对应关节的运动范围高度相似：机器人肘部模拟了生物肘部98.8%的运动范围，并具有11.25 Nm（伸展）与24 Nm（屈曲）的高扭矩能力；类似地，机器人前臂实现了人前臂旋转范围的58.6%，产生14 Nm（旋前）与7.8 Nm（旋后）的可观输出扭矩。此外，原型展现出显著的承载能力和抗位移能力，可抵抗5kg哑铃载荷而无明显位移，有效载荷能力超过4kg，并具备快速动作能力，如以0.74Hz速度举起2kg哑铃、以3.2 m/s末端执行器速度击打乒乓球。本研究强调，细致的解剖学研究可解决现有机器人设计障碍、优化性能与拟人相似度，并重申传统解剖学原理。