仿生機(jī)器人的研究綜述(共7頁(yè))

1、仿生機(jī)器人的研究(ynji)綜述華明亞（上海大學(xué)(shn hi d xu) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院(xuyun)，上海200072）摘要：在人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的過(guò)程中，存在人類無(wú)法到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場(chǎng)合，如星球探測(cè)、深海探測(cè)、減災(zāi)救援和反恐活動(dòng)等，而仿生機(jī)器人為解決上述問(wèn)題提供了一條有效途徑。隨著機(jī)器人技術(shù)和仿生學(xué)的發(fā)展，仿生機(jī)器人的研究正受到學(xué)者們的普遍關(guān)注。在對(duì)仿生機(jī)器人進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上，從地面仿生機(jī)器人、水下仿生機(jī)器人以及空中仿生機(jī)器人3個(gè)方而簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外典型仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展，并介紹其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；發(fā)展趨勢(shì)；Research revi

2、ew on bionicrobotHua Mingya(School of mechanical engineering and automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: In the humanunderstanding and transforming the worldin the process,the existence ofhuman beingscan not reach the placeand special occasionsmay endangerhuman life,such as

3、planetary exploration,deep sea exploration,disaster reliefand anti terroristactivities,andbionic robotprovidesan effective way for solving the aboveproblems.With the development ofrobot technology andbionic,bionic robot researchhas receivedwide attention of scholars.In the classificationbasedonbioni

4、crobot,bionicrobot,bionic robotfromairgroundbionic robot,underwater3partyandbriefly introduced theresearch progress oftypicalbionic robotat home and abroad,and introduces itsdevelopment trend.Key words: Bionic robot;robot movement;development trend;1 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀1.1 機(jī)器人國(guó)外研究現(xiàn)狀 由于仿生機(jī)器人所具有的靈巧動(dòng)作對(duì)于人類的生產(chǎn)和科學(xué)研究

5、活動(dòng)有著極大的幫助，所以，自80年代中期以來(lái)，機(jī)器人科學(xué)家們就開(kāi)始了有關(guān)仿生機(jī)器人的研究。自1983年以來(lái)，美國(guó)Robotics Research Corporation以擬人臂組合化為設(shè)想，基于系列關(guān)節(jié)研制出K-1607等系列7自由度擬人單臂和K/ B 2017雙臂一體機(jī)器人，其單臂K/ B 2017已用于空間站實(shí)驗(yàn)。1986年美國(guó)Utah大學(xué)工程設(shè)計(jì)中心研制成功了著名的UTAH/MIT靈巧手，該手有四指，拇指兩關(guān)節(jié)，其余三指各有三關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)繩索驅(qū)動(dòng)并設(shè)有張力傳感器.1990年由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成了靈巧手的軟硬件控制系統(tǒng)，并模擬人手拿、夾、抓、握物體多種動(dòng)作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。美國(guó)CED, Sarc

6、os研究公司，貝爾實(shí)驗(yàn)室和能源部等聯(lián)合開(kāi)發(fā)了具有手的仿人臂，并推出了新型靈巧遙控操作系統(tǒng)DTS.其中的靈巧臂(DA)是液式10自由度手臂(包括三自由度的手).。1995年Bologna大學(xué)在PUMA機(jī)器人基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)研制成有三指靈巧手的仿人臂系統(tǒng)。 1999年日本研制的寵物狗AIBOERS-110具有18個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)以保持柔性運(yùn)動(dòng).CWRU的仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研究了基于蟋蟀運(yùn)動(dòng)機(jī)能的機(jī)器人，其共有六條腿，后兩條腿較長(zhǎng)，有兩個(gè)關(guān)節(jié).各腿的運(yùn)動(dòng)通過(guò)壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)，它可以(ky)在一定的范圍內(nèi)行走和跳躍，能夠適應(yīng)粗糙地帶和障礙。目前國(guó)外機(jī)器人正朝著(cho zhe)智能化，高性能，微型

7、化發(fā)展，并且一直走在科技的前沿，引領(lǐng)者機(jī)器人的發(fā)展。1.2 機(jī)器人國(guó)內(nèi)研究(ynji)現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)一些科研院所，如北航、北科大、國(guó)防科大、東南大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化所和哈工大等進(jìn)行了仿生機(jī)器人的研究.北航機(jī)器人研究所在國(guó)家X63 智能機(jī)器人主題支持下，研制出了能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單抓持和操作作業(yè)的3指9自由度靈巧手.沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制開(kāi)發(fā)的6000m水下自治機(jī)器人達(dá)到世界先進(jìn)水平.哈工大機(jī)器人研究所研制了高靈活性的仿人手臂及擬人雙足步行機(jī)器人.其仿人手臂具有工作空間大、關(guān)節(jié)無(wú)奇異姿態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn).通過(guò)軟件控制可實(shí)現(xiàn)避障、回避關(guān)節(jié)極限和優(yōu)化動(dòng)力學(xué)性能等.雙足步行機(jī)器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有12個(gè)自由度，可以完成平地前進(jìn)

8、、后退、側(cè)行、轉(zhuǎn)向和上下階梯等步行功能。圖1仿生機(jī)械蟹 雖然在仿生機(jī)器人的研究中，美國(guó)和日本走在前列，此外加拿大、英國(guó)、瑞典、挪威、澳大利亞等國(guó)也都在這方面的技術(shù)研究中非常突出，但是我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)經(jīng)過(guò)一番奮勇直追，也逐漸拉近了和發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。國(guó)內(nèi)，哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的研究人員研制了一種兩棲仿生機(jī)器蟹，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)證明:仿生蟹能夠按照雙四足步態(tài)在平坦的地而上實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、橫行、左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，橫行時(shí)最大運(yùn)動(dòng)速度約0. 2 m/s，前后行走時(shí)最大為0. 1 m/s，并可以跨越高30 mm的障礙。在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，需將機(jī)器蟹整體放入根據(jù)其外形定制的柔性皮套內(nèi)，即采用整體包裹的防水方式。

9、2 機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容 仿生機(jī)器人可以分為地面仿生機(jī)器人、水下仿生機(jī)器人以及空中仿生機(jī)器人。2.1 地面(dmin)仿生機(jī)器人地面仿生機(jī)器人有著廣泛的應(yīng)用，比如在考古，探索未知天體，惡劣環(huán)境作業(yè)等方面的應(yīng)用有著不可或缺的地位，因此研究它們(t men)對(duì)于科研，醫(yī)療還有生活有著重要的意義。下面簡(jiǎn)單介紹兩種地面機(jī)器人。仿生六足機(jī)器人在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、定點(diǎn)清除(qngch)、危險(xiǎn)環(huán)境下搜救以及狹小空間作業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域中，爬行機(jī)器人發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性爬行，受到廣大研究者的青睞。六足機(jī)器人常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有矩形六足機(jī)器人和六邊形六足機(jī)器人。Chu和對(duì)軸對(duì)稱本體六腿機(jī)器人和圓周對(duì)稱本體六腿機(jī)器人進(jìn)行比較，

10、圓周對(duì)稱六腿機(jī)器人從轉(zhuǎn)向性能和穩(wěn)定裕度等方面都有更好的性能。北京航空航天大學(xué)丁希侖課題組主要針對(duì)圓周對(duì)稱分布的六腿步行機(jī)器人步態(tài)及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，其只能在平面內(nèi)爬行，且控制方法考慮欠缺。哈工大設(shè)計(jì)出一款可以在崎嶇地形中行走的六足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用ARM與FPGA多層次控制結(jié)構(gòu)，具有負(fù)載能力，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)在壁面上全方位運(yùn)動(dòng)的六足爬壁機(jī)器人(圖2)，機(jī)器人凈重141g。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)采用圓周對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人主要由上、下機(jī)體兩部分組成。圖2機(jī)器人三維CAD模型與實(shí)物圖 為了簡(jiǎn)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，我們仿照尺鑊的運(yùn)動(dòng)方式，上、下機(jī)體之間通過(guò)曲柄滑塊結(jié)構(gòu)連接

11、，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下機(jī)體之間線性相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而機(jī)器人可以前進(jìn)后退運(yùn)動(dòng);同時(shí)上、下機(jī)體之間具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，可實(shí)現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，這是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在壁面上的全方位運(yùn)。圖3 機(jī)器蜘蛛美國(guó)宇航局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室2002年12月研制成功的機(jī)器蜘蛛Spider-pot，如圖3所示，裝有一對(duì)可以用來(lái)探測(cè)障礙的天線，擁有異常靈活的腿，能跨越障礙，攀登巖石，探訪靠輪子滾動(dòng)前進(jìn)的機(jī)器人無(wú)法抵達(dá)的區(qū)域。憑借嬌小的身材，該機(jī)器蜘蛛非常適合勘探彗星、小行星等小型天體。在國(guó)際空間站上可以充當(dāng)維護(hù)員，及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣泄漏等故障。2.2 空中(kngzhng)仿生機(jī)器人 機(jī)械蒼蠅可作為救援機(jī)器人或間

12、諜飛行器。機(jī)器蒼蠅的體重只有六十毫克，翼展也僅僅有三厘米，它是典型的仿生學(xué)產(chǎn)品，其飛行運(yùn)動(dòng)原理和真的(zhn de)蒼蠅非常相似。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制出機(jī)器蒼蠅，如圖4所示，目的是利用仿生原理獲得蒼蠅的杰出的飛行性能。機(jī)器蒼蠅有普通蒼蠅大小，有4只翅膀，只有1個(gè)玻璃眼睛，質(zhì)量約43 mg，直徑5一10 mm，與真蒼蠅差不多，身體用像紙一樣薄的不銹鋼制成，翅膀用聚酷樹(shù)脂做成。由太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)，1個(gè)微型壓電石英驅(qū)動(dòng)器以180次/s的頻率(pnl)扇動(dòng)它的4只小翅膀。 由于體型小，蒼蠅周圍氣流的粘性比鳥類或者機(jī)翼固定的飛機(jī)更大。對(duì)昆蟲來(lái)說(shuō)飛行就像是踩水一樣。蒼蠅翅膀運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力可以在千分

13、之一秒內(nèi)改變激烈程度。相反，傳統(tǒng)的機(jī)翼卻受制于平穩(wěn)的氣體流動(dòng)。正是因?yàn)檫@個(gè)差異，預(yù)測(cè)飛機(jī)性能的分析工具對(duì)于動(dòng)態(tài)飛行昆蟲效果甚微，這也使得研制機(jī)械蒼蠅的工作愈發(fā)的困難重重。研究工作者依次解決了機(jī)器蒼蠅設(shè)計(jì)中扭曲和拍打，材料，控制和低功耗等難題，最終研制出應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)器蒼蠅。圖5 昆蟲機(jī)機(jī)器人圖4 機(jī)器蒼蠅昆蟲機(jī)(Entomopter)(圖5)是由美國(guó)喬治亞理工研究院、英國(guó)劍橋大學(xué)和ETS實(shí)驗(yàn)室合作研制的類似飛峨的機(jī)器人，質(zhì)量50 g，能夠裝載0. 1 N有效載荷。動(dòng)力裝置是一種基于往復(fù)式化學(xué)肌肉( Reeiproeating Chemieal Musele RCM)的可再生裝置，通過(guò)直接的非燃

14、燒式反應(yīng)把化學(xué)能變?yōu)閯?dòng)能。機(jī)冀的撲動(dòng)是自主的(自然而然或非受控的)和勻稱的(恒頻和等輻的)，上下?lián)]動(dòng)都產(chǎn)生升力，可以使昆蟲機(jī)懸停飛行。2.3 水下(shu xi)仿生機(jī)器人隨著無(wú)人地而戰(zhàn)車、無(wú)人飛機(jī)和無(wú)人艦艇等逐漸在戰(zhàn)場(chǎng)上顯示出越來(lái)越高的作戰(zhàn)效能，無(wú)人化作戰(zhàn)平臺(tái)將在未來(lái)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮重要的作用。無(wú)人潛航器(Unmanned Underwater Vehicles,UUV)是無(wú)人平臺(tái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。美國(guó)戰(zhàn)略(zhnl)與預(yù)算評(píng)估中心的高級(jí)分析家羅伯特沃克認(rèn)為，未來(lái)美軍對(duì)制海權(quán)的掌握，將是通過(guò)無(wú)人水下潛航器，而非傳統(tǒng)認(rèn)為的靜音潛艇。可見(jiàn)無(wú)人潛航器在未來(lái)海戰(zhàn)中的重大意義越來(lái)越得到軍事專家的認(rèn)可

15、。加快發(fā)展無(wú)人潛航器，占據(jù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)，對(duì)于取得未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)局部?jī)?yōu)勢(shì)至關(guān)重要。 UUV是一種能下潛的無(wú)人自主航行系統(tǒng)(xtng)，由載體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)等系統(tǒng)和設(shè)備組成。 國(guó)外比較有代表性的水下機(jī)器人當(dāng)屬美國(guó)的伍茲霍爾海洋研究所歷時(shí)9年設(shè)計(jì)研制的深海無(wú)人潛器Nereus，長(zhǎng)約4m，寬約2.5m,空氣中重約2.812345678噸。其最大潛深為11000m，航速3節(jié)，續(xù)航時(shí)間為20小時(shí)。它具有一種混合式操控系統(tǒng)，集兩種操作模式于一身，既可以自主地進(jìn)行海洋探測(cè)任務(wù)，也可以通過(guò)遙控來(lái)完成工作。該潛水器于2009年5月31日下潛至西太平洋的馬里亞納海溝，潛深達(dá)到了10902m。如

16、圖6所示：圖6 水下機(jī)器人 圖7 仿生UUV 我國(guó)的水下機(jī)器人的研究工作在歷史上發(fā)展較慢，二十世紀(jì)六十年代中期對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行了探索性研究，70年代研制了拖曳式潛水器。從20世紀(jì)70年代末到80年代初，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，以及海上救助打撈和海洋石油開(kāi)采的需要，我國(guó)也開(kāi)始了水下機(jī)器人的研制與應(yīng)用工作。上海交通大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院聯(lián)合研制了我國(guó)第一艘無(wú)人遙控潛水器“HR-O 1”號(hào)。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所等單位研制了“CR-O1”和“CR-02”型潛深6000m、航程小于50公里的無(wú)人無(wú)纜水下機(jī)器人。哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的多種自主式智能水下機(jī)器人系列等.如“仿生”系列(圖7

17、) ,“微龍”系列(圖11)水下機(jī)器人。其中“仿生一I”總長(zhǎng)2.4m，最大直徑0.62m ,潛深10m，負(fù)載能力60kg，仿金槍魚推進(jìn)，配有月牙形尾鰭和一對(duì)聯(lián)動(dòng)胸鰭?！拔堃籌”總長(zhǎng)0.95m ,排水量76kg。軀體為扁圓截而，長(zhǎng)方形外殼，非水密部分為玻璃鋼材質(zhì)(ci zh)，內(nèi)置雙圓柱鋁合金水密耐壓殼體。軀體的長(zhǎng)寬比為2:1，采用可充電鏗離子電池為能源，安裝有左右布置的兩個(gè)主推進(jìn)器、可調(diào)攻角水平舵和垂直穩(wěn)定翼，組成航行和操縱執(zhí)行系統(tǒng)，配備的傳感器有水下TV、探測(cè)聲納、超短基線水聲定位系統(tǒng)、磁羅經(jīng)、深度計(jì)等。3 機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)3.1 向智能型發(fā)展(fzhn) 增加水下機(jī)器人行為的智能水平一直

18、是各國(guó)科學(xué)家的努力目標(biāo)。但是由于目前(mqin)的人工智能技術(shù)不能滿足水下機(jī)器人智能增長(zhǎng)的需要，因此需要將人的智力引入到水下機(jī)器人中來(lái)，這就是監(jiān)控型水下機(jī)器人的思想。不完全依賴于機(jī)器的智能，更多地依賴傳感器和人的智能，是今后的一個(gè)重要發(fā)展方向，并且把這種機(jī)器人稱為基于傳感器的先進(jìn)水下機(jī)器人。發(fā)展多機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)，也是增加UUV智能的重要方面。3.2 仿生機(jī)器人的微型化 仿生微型機(jī)器人可用于小型管道的檢測(cè)作業(yè)，可進(jìn)入人體腸道進(jìn)行檢查和實(shí)施治療而不傷害人體，也可以進(jìn)入狹小的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行作業(yè)。因此，機(jī)器人的小型化和微型化是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。仿生機(jī)器人微型化的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的微型化，將驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)

19、裝置、傳感器、控制器、電源等集成到一塊硅片上，構(gòu)成微機(jī)電系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的微型化。3.3 仿生機(jī)器人的相似性和多變性 在軍事偵察和間諜任務(wù)中，如果仿生機(jī)器人的外形與所模仿的生物外形完全一致，將能更隱蔽地、更安全地完成任務(wù)。因此，仿生機(jī)器人的外形與所模仿的生物的相似性，是仿生機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。日本研制的變形機(jī)器人包括若干小機(jī)器人，小機(jī)器人通過(guò)紅外傳感器和照相機(jī)識(shí)別周圍的障礙物，然后相互協(xié)調(diào)，按照不同需要組合成狗、蜘蛛和蛇等7種形態(tài)，可以根據(jù)環(huán)境變化(binhu)而改變自己的形狀。機(jī)器人的多變性使其能夠進(jìn)入各種人類難以接近的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施調(diào)查，還有望應(yīng)用于航天等領(lǐng)域。4 展望(zhn

20、wng)隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。同時(shí)，隨著機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，要解決機(jī)器人而臨的問(wèn)題，必須向自然界學(xué)習(xí)，從自然界為人類提供的豐富多彩的實(shí)例中尋求解決問(wèn)題的途徑，在對(duì)自然界生物的學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)和發(fā)展相關(guān)的理論和技術(shù)方法，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上不斷提高。仿生機(jī)器人作為機(jī)器人家族中的重要成員，由于其高度靈活性和柔性、高度的易復(fù)制性以及在軍事(jnsh)、娛樂(lè)和服務(wù)等方而的重要性，己經(jīng)成為21世紀(jì)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)，必將出現(xiàn)更多的種類，也將得到更深入的應(yīng)用。致謝：感謝在這次工作中給予我支持和鼓勵(lì)的所有人。參考文獻(xiàn)：1 王立權(quán)，孫磊，陳東良，等仿生機(jī)器蟹樣機(jī)研

21、究J哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,26 (5) :591一5952 Chu S K K, Pang G K H. Comparison between different model of hexapod robot in fault-tolerant gait J. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetic,Part A,2002,32(6):752 -7563 丁希侖，王志英，Roveua A六邊形對(duì)稱分布六腿機(jī)器人的典型步態(tài)及其運(yùn)動(dòng)性能分析J機(jī)器人，2010,32 (6) :759-765Ding X L,Wang Z Y, Rov

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