仿生機器人的研究綜述

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1、 仿生機器人的研究綜述 摘要:介紹了國內(nèi)外仿生機器人的最新發(fā)展動態(tài)。歸納和闡述了各種類型仿生機器人的特點及研究成果,分析了仿生機器人的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞:仿生機器人;研究成果;發(fā)展趨勢 機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人的問世都是近幾十年的事。然而人們對機器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機器,以便代替人類完成各種工作。西周時期,中國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人,這是中國最早記載的機器人,體現(xiàn)了中國勞動人民的聰明智慧。1738年,法國天才技師杰克#戴#瓦克遜發(fā)明了一只機器鴨,它會嘎嘎叫,會游泳和喝水,還會進食和排泄。瓦克遜的本意是想把生

2、物的功能加以機械化而進行醫(yī)學(xué)上的分析。1893年摩爾制造了/蒸汽人0,/蒸汽人0靠蒸汽驅(qū)動雙腿沿圓周走動。進入20世紀后,機器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持,一些適用化的機器人相繼問世,1927年美國西屋公司工程師溫茲利制造了第一個機器人/電報箱0,并在紐約舉行的世界博覽會上展出。1959年第一臺工業(yè)機器人(可編程、圓坐標)在美國誕生,開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高,移動機器人和機器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展,推動了機器人概念的延伸。20世紀,將具有感覺、思考、決策和動作能力的系統(tǒng)稱

3、為智能機器人,這是一個概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機器人技術(shù)的研究和應(yīng)用,而且又賦予了機器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間,地面機器人、微小型機器人、水下機器人、空中機器人等各種用途的機器人相繼問世,許多夢想成為了現(xiàn)實。 仿生機器人是指模仿生物、從事生物特點工作的機器人。仿生機器人是機器人技術(shù)領(lǐng)域中一個新興的發(fā)展分支,是當(dāng)前機器人領(lǐng)域的研究熱點。過去、現(xiàn)在甚至未來,對仿生機器人的研究,都是多方面的。近些年,國內(nèi)外有諸多學(xué)者開始對仿生機器人進行深入細致的研究。仿生機器人的種類有很多種,有天上飛的,地上走的,甚至還有水里游的。而地上走的,根據(jù)行走方式的不同,還可以分為跳躍機器人、輪式機器

4、人、足式機器人以及爬行機器人等。下面,筆者將具體描述各類型機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及成果。 1仿生機器人的研究現(xiàn)狀 1.1跳躍機器人 仿生跳躍機器人涉及仿生學(xué)、機械學(xué)和控制學(xué)等多學(xué)科交叉,具有許多目前科技發(fā)展水平難以逾越的技術(shù)難點,研制難度大。對這種機器人進行研究的最初目的是模擬袋鼠、麻雀等動物的骨骼機構(gòu)和運動方法。隨著對這種機器人研究的深入,這種技術(shù)可以被用來研究運動員的跳高、跳遠、跳水、蹦床和體操等運動,從而提高運動員的成績。此外,在星際探索中,由于月球與火星表面重力加速度大大低于地球,跳躍機器人可以越過數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙物,因此在外星探索中有著廣泛的應(yīng)用前景。越障是跳躍機器人的

5、一個主要功能,目前,國內(nèi)外對機器人越障性能方面的研究較少。近年來,機器人研究者們正試圖研制能夠很好地體現(xiàn)動物運動原理的機構(gòu)模型,目前除了Raibert和Zeglin共同研制的Uniroo以及Hyon研制的Kenken能夠成功跳躍以外,還沒發(fā)現(xiàn)有其它成功案例。 1.2足式機器人 步足式仿生機器人是機器人研究領(lǐng)域最先研究的對象之一,近十幾年,隨著計算機等硬件設(shè)備的發(fā)展和設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新,各國對足式機器人的研究明顯增多。足式步行機器人可以在不平坦、未知的環(huán)境中行走,并承擔(dān)某些危險工作,且動作敏捷、適應(yīng)能力強,可以高度自主自治。因此,多足步行機器人在軍事、航天、工業(yè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。多足步行

6、機器人不僅具有獨立行走、承載等功能,在到達目的地后,每條腿還可以作為機械手臂進行相關(guān)操作。地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶車輛所到達,而多足式動物卻可以在這些地面上行走。足式步行機器人的研究已成為機器人學(xué)中一個引人注目的熱點。由于足式機器人的立足點是離散的點,可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點,足式機器人對崎嶇路面也具有很好的適應(yīng)能力,因此足式機器人受到各國研究人員的普遍重視。各國先后有許多典型的足式試驗機器人先后問世,比較著名的是日本東京工業(yè)大學(xué)的泰坦型,德國的四足機器人BISAM,上海交通大學(xué)的四足機器人JTUWM-,華中科技大學(xué)研發(fā)的/4+20多足步行機器人。很多學(xué)者在仿人機

7、器人雙足動步行方面也做了大量研究工作。如:早稻田大學(xué)的/WABIAN0、東京大學(xué)的H6和H7、本田公司的P系列和ASIMO。 為了獲得足式移動機器人的最大移動靈活性和環(huán)境適應(yīng)性,Dr.Wu和Pro.fFukuda在2000年首次提出并研制了一種具有包括雙足步行、四足步行在內(nèi)的多種移動方式的/類人猿型機器人0,并且研究了步行方式的轉(zhuǎn)換運動控制問題。2002年,SONY公司在開發(fā)出的四足玩具機器人/AIBO0基礎(chǔ)上,研制了具有雙足直立行走功能的/ERS-210(AIBO)0機器人。2004年,Dr.Wu又研制出了新型類人猿型機器人系統(tǒng)/GOROBOT0。 1.3爬壁機器人 仿壁虎爬壁機器人就

8、是模仿自然界中壁虎的精巧結(jié)構(gòu)、運動原理和行為方式的機器人系統(tǒng)。目前,各種形式的爬壁機器人中絕大多數(shù)在第一步實現(xiàn)壁面吸附時均需要外力協(xié)助。這種外力或者來自操作人員,或者由專用的機械裝置(如機械手等)提供。由微納米加工工藝制成的仿壁虎吸附裝置來模擬壁虎的腳趾,這種裝置對環(huán)境和接觸表面的適應(yīng)性遠遠地強于傳統(tǒng)的吸附裝置(如真空吸附、磁力吸附、推力吸附),且吸附性能好,控制系統(tǒng)簡單,可以較容易地跨越較大的障礙(如溝、坎等),并且運動更加靈活,對凹凸不平的地形適應(yīng)能力更強。在國外,美國加州大學(xué)伯克利分校和iRobot公司均對仿壁虎機器人進行了研究,并研制出能在干燥環(huán)境下實現(xiàn)壁面爬行的仿壁虎機器人的樣機。美

9、國卡耐基梅隆大學(xué)納米機器人實驗室也對仿壁虎爬壁機器人做了大量的研究,研制出剛性和柔性兩種不同類型的仿壁虎機器人,雖然它們均能以20mm/s的速度成功地沿傾角為65b的斜面爬行,但是其穩(wěn)定性和靈活性比較差。在國內(nèi),南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護研究所對壁虎腳底剛毛結(jié)構(gòu)和爬行步態(tài)進行了研究,為仿壁虎機器人的機構(gòu)設(shè)計和步態(tài)規(guī)劃提供了依據(jù)。合肥智能機械研究所仿生微納米機器人實驗室通過對壁虎腳底絨毛陣列粘附和脫離機理的研究,設(shè)計并制作出一種具有大附力(約2.16N/cm2)、易于脫離、自清潔和可反復(fù)使用等特點的仿壁虎微納米粘附陣列。這類機器人在核工業(yè)、石油企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門以及造船業(yè)、公共和國

10、家安全領(lǐng)域具有廣泛而迫切的需求。 1.4管道機器人 工業(yè)管道廣泛用于石油、化工、天然氣及城市給排水等領(lǐng)域,通常架設(shè)于空中或埋入地下,工作環(huán)境惡劣,人們很難直接介入,因此給檢修、維護等工作造成了困難。為解決這一問題,針對特定的環(huán)境要求,有學(xué)者研制了相應(yīng)類型的管道機器人,其主要分管外與管內(nèi)兩種,以代替人工進行作業(yè)。通常對管道內(nèi)表面進行除銹、補口等處理,延長管道使用壽命,使管道能長期安全運行。管道內(nèi)表面處理過程中越來越多地采用管道機器人機構(gòu)作為移動載體。 目前的管道機器人,比如利用螺旋輪實現(xiàn)機器人本體向前、向后運動的Hel-iPipe管道機器人和法國CedricAnthierens等人為檢測核

11、電站蒸汽發(fā)生器管道而研制的/電動-氣動0驅(qū)動的蠕動式管道機器人等,都是為特定直徑的管道專門設(shè)計的。在現(xiàn)代工業(yè)尤其是石化行業(yè)存在各種不同用途、不同尺寸的管道,管道直徑發(fā)生了變化,就必須重新設(shè)計制造,因而增加了成本。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄧宗全等人研制的6輪獨立驅(qū)動管道機器人,采用彈簧封閉力機構(gòu),實現(xiàn)適應(yīng)管徑變化的功能。韓國ChoiHR等人開發(fā)出的用于天然氣管道檢測的管道機器人,利用/彈簧+平行四邊形機構(gòu)0來適應(yīng)管徑變化。上海交通大學(xué)設(shè)計的管道機器人則采用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)行走輪的位置,使之始終壓在管道內(nèi)壁上,也實現(xiàn)了機器人適應(yīng)管徑變化的功能。 近年來,細小管道微機器人的研究也已經(jīng)成為熱點,大量文獻報

12、道了此類微機器人,主要可分為以下幾類:螺旋驅(qū)動式、電磁式、氣動式、SMA式和壓電式。 管道機器人在醫(yī)學(xué)方面也有所應(yīng)用,作為一種重要的微創(chuàng)外科手術(shù),內(nèi)窺鏡手術(shù)得到了迅速發(fā)展。將機器人技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)窺鏡外科手術(shù),可使內(nèi)窺鏡 手術(shù)更具安全性、準確性和便利性。 1.5仿生機器魚 大自然的選擇使地球上的魚類具有非凡的水中生活能力,由于游動具有效率高、機動性能好以及對環(huán)境擾動小等優(yōu)點,仿生機器魚技術(shù)的研究已成為當(dāng)前水下機器人領(lǐng)域研究的熱點之一。1994年美國麻省理工學(xué)院(MIT)成功研制了一個電機驅(qū)動的8關(guān)節(jié)新月形對稱尾鰭的機器金槍RoboTuna,開啟了機器魚研制的先河,其后多個研究單位都開始了機

13、器魚的研究與研制,如:日本運輸省船舶研究所(SRI)研制了PF系列和UPF系列機器魚,國內(nèi)北京航空航天大學(xué)研制了5關(guān)節(jié)機器海豚等。隨著機器魚技術(shù)的發(fā)展,新型號的仿生機器魚可廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,如管道檢測,海洋生物觀察,水下探測,軍事應(yīng)用以及娛樂等許多方面。近年來,模仿水生動物推進方式的仿魚尾推進系統(tǒng)應(yīng)用于水下無人探測器的可行性已經(jīng)得到了初步的驗證。如美國MIT的RoboTuna、美國Draper實驗室的VCUUV、日本東京工業(yè)大學(xué)的機器海豚、哈爾濱工程大學(xué)的/仿生-0等。 1.6飛行機器人 飛行機器人是基于昆蟲拍翅飛行的原理,設(shè)計制造的飛行機器人。拍翅式微型仿昆飛行機器人由于其體積小、重量

14、輕、成本低等特點,在民用和國防領(lǐng)域有著十分重要而廣泛的應(yīng)用,并能完成許多其他飛行器所無法執(zhí)行的任務(wù).劍橋大學(xué)、加州大學(xué)、東京大學(xué)等都在進行這方面的研究工作。但是,目前的研究主要集中在昆蟲飛行機理和微型飛行機器人的制作方面,而有關(guān)微型仿昆飛行機器人動力學(xué)方面的研究還較少,只有加州大學(xué)的SCHENATO等人在對昆蟲仿真研究時,對其身體的動力學(xué)進行了分析,建立了基于昆蟲身體的動力學(xué)模型。EIIINGTON等通過對飛蛾動態(tài)比例模型的研究,針對飛蛾以大迎角飛行不失速的特點,提出了翅膀平動時的/延時失速0(delayedstal1)機理,認為由于翅膀平動時在翅背面產(chǎn)生較強的前緣附著渦(LEV),使翅膀產(chǎn)生

15、了較大的升力。DICKINSON等通過對果蠅比例動態(tài)模型的實驗研究,發(fā)現(xiàn)在翅上拍和下拍周期的開始階段,有較大的沖力,考慮到翅在上拍和下拍轉(zhuǎn)換時有一翻轉(zhuǎn)動作,再結(jié)合了EIIINGTON的/延時失速0機理。1.7各類仿生機器人性能比較仿生機器人的種類繁多,類型各異,靈活多樣。下面的表1對幾類主要的地面仿生機器人的性能進行了比較。 2仿生機器人的發(fā)展 2.1仿生機器人結(jié)構(gòu)的智能化 仿生機器人從傳統(tǒng)的純機械式機器人逐漸轉(zhuǎn)向智能機器人,動作更加人性化,外形更加真實化。從一般的單一動作,變得更加多樣化,融入了多學(xué)科的知識。仿生機器人的智能化使其能更安全、更完美的完成任務(wù),可以根據(jù)環(huán)境變化而改變,

16、進入各種人類難以接近的災(zāi)害現(xiàn)場實施調(diào)查,來完成任務(wù)。 2.2仿生機器人的協(xié)作化 機器人的運作不再是單一的一個機器來工作,而是需要多個機器人的合作來完成任務(wù)。各機器人之間必須互相幫助、互相通信來協(xié)作工作。多機器人的協(xié)作控制研究是當(dāng)今一個活躍且具有挑戰(zhàn)性的課題。然而由于諸多客觀條件的局限所帶來的矛盾,使得更多的研究不得不先借助于仿真的手段來完成。隨著多機器人研究的深入,多機器人仿真系統(tǒng)也有了較大發(fā)展。 2.3仿生機器人的多功能性 除了上述仿生機器人外,還有許多機器人種類,例如蠕動機器人、蛇形機器人、拱泥機器人等等,都是根據(jù)具體情況來設(shè)計的,其運動方式可以多樣化,在航空、陸地和水下均可應(yīng)用,

17、外觀也可根據(jù)具體的工作方式來改變。 3結(jié)束語 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)階段能源的嚴重缺乏,人類都在盡力開發(fā)各式各樣的新能源。人類對一些未知環(huán)境的探測以及工程探險勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作,增加了人類勞動的復(fù)雜性和危險性。用機器人來代替人類完成這些工作成了迫切需要。機器人可以作為危險地帶的探險工具也可以去那些人類自身不能到達的地方。但是,現(xiàn)階段關(guān)于仿生機器人的研究還存在許多缺陷,結(jié)構(gòu)還不構(gòu)完善,例如飛行機器人目前的研究主要集中在昆蟲飛行機理和微型飛行機器人的制作方面,而有關(guān)微型仿昆飛行機器人動力學(xué)方面的研究較少。仿生機器人作為機器人家族中的重要成員,具有高度靈活性和

18、柔性,還具有高度的易復(fù)制性,這就決定了仿生機器人必將成為21世紀機器人研究的熱點,仿生機器人也將經(jīng)歷更高的發(fā)展階段。 參考文獻: [1]GarthJZeglin.Uniroo:Aoneleggeddynmichoppingrobot[D].Massachusetts:MassachusettsInstituteofTechnoloy,1991. [2]HyonSH,MitaT.DevelopmentofabiologicallyinspiredhoppingrobotKenken[C]//ProceedingsoftheIEEEIn

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