仿生機器人的研究綜述(共7頁)

1、仿生機器人的研究(ynji)綜述華明亞（上海大學(shn hi d xu) 機電工程與自動化學院(xuyun)，上海200072）摘要：在人類認識世界和改造世界的過程中，存在人類無法到達的地方和可能危及人類生命的特殊場合，如星球探測、深海探測、減災救援和反恐活動等，而仿生機器人為解決上述問題提供了一條有效途徑。隨著機器人技術和仿生學的發(fā)展，仿生機器人的研究正受到學者們的普遍關注。在對仿生機器人進行分類的基礎上，從地面仿生機器人、水下仿生機器人以及空中仿生機器人3個方而簡要介紹了國內外典型仿生機器人的研究進展，并介紹其發(fā)展趨勢。關鍵詞：仿生機器人；機器人運動；發(fā)展趨勢；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 機器人的研究現(xiàn)狀1.1 機器人國外研究現(xiàn)狀 由于仿生機器人所具有的靈巧動作對于人類的生產(chǎn)和科學研究

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

6、os研究公司，貝爾實驗室和能源部等聯(lián)合開發(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大學在PUMA機器人基礎上設計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個關節(jié)，每個關節(jié)由伺服電機驅動以保持柔性運動.CWRU的仿生機器人實驗室研究了基于蟋蟀運動機能的機器人，其共有六條腿，后兩條腿較長，有兩個關節(jié).各腿的運動通過壓縮空氣來驅動，它可以(ky)在一定的范圍內行走和跳躍，能夠適應粗糙地帶和障礙。目前國外機器人正朝著(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，引領者機器人的發(fā)展。1.2 機器人國內研究(ynji)現(xiàn)狀國內一些科研院所，如北航、北科大、國防科大、東南大學、沈陽自動化所和哈工大等進行了仿生機器人的研究.北航機器人研究所在國家X63 智能機器人主題支持下，研制出了能實現(xiàn)簡單抓持和操作作業(yè)的3指9自由度靈巧手.沈陽自動化所研制開發(fā)的6000m水下自治機器人達到世界先進水平.哈工大機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器人.其仿人手臂具有工作空間大、關節(jié)無奇異姿態(tài)、結構緊湊等特點.通過軟件控制可實現(xiàn)避障、回避關節(jié)極限和優(yōu)化動力學性能等.雙足步行機器人為關節(jié)式結構，具有12個自由度，可以完成平地前進

8、、后退、側行、轉向和上下階梯等步行功能。圖1仿生機械蟹 雖然在仿生機器人的研究中，美國和日本走在前列，此外加拿大、英國、瑞典、挪威、澳大利亞等國也都在這方面的技術研究中非常突出，但是我國的機器人技術經(jīng)過一番奮勇直追，也逐漸拉近了和發(fā)達國家的水平。國內，哈爾濱工程大學機電工程學院的研究人員研制了一種兩棲仿生機器蟹，如圖1所示。實驗證明:仿生蟹能夠按照雙四足步態(tài)在平坦的地而上實現(xiàn)前進、后退、橫行、左右轉彎等動作，橫行時最大運動速度約0. 2 m/s，前后行走時最大為0. 1 m/s，并可以跨越高30 mm的障礙。在水中運動時，需將機器蟹整體放入根據(jù)其外形定制的柔性皮套內，即采用整體包裹的防水方式。

9、2 機器人的研究內容 仿生機器人可以分為地面仿生機器人、水下仿生機器人以及空中仿生機器人。2.1 地面(dmin)仿生機器人地面仿生機器人有著廣泛的應用，比如在考古，探索未知天體，惡劣環(huán)境作業(yè)等方面的應用有著不可或缺的地位，因此研究它們(t men)對于科研，醫(yī)療還有生活有著重要的意義。下面簡單介紹兩種地面機器人。仿生六足機器人在戰(zhàn)場偵察、定點清除(qngch)、危險環(huán)境下搜救以及狹小空間作業(yè)檢測等領域中，爬行機器人發(fā)揮著關鍵作用。它容易實現(xiàn)穩(wěn)定性爬行，受到廣大研究者的青睞。六足機器人常見的結構有矩形六足機器人和六邊形六足機器人。Chu和對軸對稱本體六腿機器人和圓周對稱本體六腿機器人進行比較，

10、圓周對稱六腿機器人從轉向性能和穩(wěn)定裕度等方面都有更好的性能。北京航空航天大學丁希侖課題組主要針對圓周對稱分布的六腿步行機器人步態(tài)及穩(wěn)定性進行分析，其只能在平面內爬行，且控制方法考慮欠缺。哈工大設計出一款可以在崎嶇地形中行走的六足步行機器人，該機器人采用ARM與FPGA多層次控制結構，具有負載能力，通過仿真實驗驗證了其可行性。設計了一種結構簡單，可實現(xiàn)在壁面上全方位運動的六足爬壁機器人(圖2)，機器人凈重141g。機器人整體結構采用圓周對稱結構設計，機器人主要由上、下機體兩部分組成。圖2機器人三維CAD模型與實物圖 為了簡化機器人的結構，我們仿照尺鑊的運動方式，上、下機體之間通過曲柄滑塊結構連接

11、，由一個電機驅動曲柄往復運動，實現(xiàn)上下機體之間線性相對運動，從而機器人可以前進后退運動;同時上、下機體之間具有一個轉動自由度，可實現(xiàn)靈活的轉向運動，這是機器人實現(xiàn)在壁面上的全方位運。圖3 機器蜘蛛美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室2002年12月研制成功的機器蜘蛛Spider-pot，如圖3所示，裝有一對可以用來探測障礙的天線，擁有異常靈活的腿，能跨越障礙，攀登巖石，探訪靠輪子滾動前進的機器人無法抵達的區(qū)域。憑借嬌小的身材，該機器蜘蛛非常適合勘探彗星、小行星等小型天體。在國際空間站上可以充當維護員，及時發(fā)現(xiàn)空氣泄漏等故障。2.2 空中(kngzhng)仿生機器人 機械蒼蠅可作為救援機器人或間

12、諜飛行器。機器蒼蠅的體重只有六十毫克，翼展也僅僅有三厘米，它是典型的仿生學產(chǎn)品，其飛行運動原理和真的(zhn de)蒼蠅非常相似。美國加州大學伯克利分校研制出機器蒼蠅，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。機器蒼蠅有普通蒼蠅大小，有4只翅膀，只有1個玻璃眼睛，質量約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，翅膀用聚酷樹脂做成。由太陽能電池驅動，1個微型壓電石英驅動器以180次/s的頻率(pnl)扇動它的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翼固定的飛機更大。對昆蟲來說飛行就像是踩水一樣。蒼蠅翅膀運動產(chǎn)生的空氣動力可以在千分

13、之一秒內改變激烈程度。相反，傳統(tǒng)的機翼卻受制于平穩(wěn)的氣體流動。正是因為這個差異，預測飛機性能的分析工具對于動態(tài)飛行昆蟲效果甚微，這也使得研制機械蒼蠅的工作愈發(fā)的困難重重。研究工作者依次解決了機器蒼蠅設計中扭曲和拍打，材料，控制和低功耗等難題，最終研制出應用于實際的機器蒼蠅。圖5 昆蟲機機器人圖4 機器蒼蠅昆蟲機(Entomopter)(圖5)是由美國喬治亞理工研究院、英國劍橋大學和ETS實驗室合作研制的類似飛峨的機器人，質量50 g，能夠裝載0. 1 N有效載荷。動力裝置是一種基于往復式化學肌肉( Reeiproeating Chemieal Musele RCM)的可再生裝置，通過直接的非燃

14、燒式反應把化學能變?yōu)閯幽?。機冀的撲動是自主的(自然而然或非受控的)和勻稱的(恒頻和等輻的)，上下?lián)]動都產(chǎn)生升力，可以使昆蟲機懸停飛行。2.3 水下(shu xi)仿生機器人隨著無人地而戰(zhàn)車、無人飛機和無人艦艇等逐漸在戰(zhàn)場上顯示出越來越高的作戰(zhàn)效能，無人化作戰(zhàn)平臺將在未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮重要的作用。無人潛航器(Unmanned Underwater Vehicles,UUV)是無人平臺的一個重要發(fā)展方向。美國戰(zhàn)略(zhnl)與預算評估中心的高級分析家羅伯特沃克認為，未來美軍對制海權的掌握，將是通過無人水下潛航器，而非傳統(tǒng)認為的靜音潛艇?？梢姛o人潛航器在未來海戰(zhàn)中的重大意義越來越得到軍事專家的認可

15、。加快發(fā)展無人潛航器，占據(jù)戰(zhàn)略制高點，對于取得未來戰(zhàn)爭局部優(yōu)勢至關重要。 UUV是一種能下潛的無人自主航行系統(tǒng)(xtng)，由載體結構、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和推進系統(tǒng)等系統(tǒng)和設備組成。 國外比較有代表性的水下機器人當屬美國的伍茲霍爾海洋研究所歷時9年設計研制的深海無人潛器Nereus，長約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)航時間為20小時。它具有一種混合式操控系統(tǒng)，集兩種操作模式于一身，既可以自主地進行海洋探測任務，也可以通過遙控來完成工作。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，潛深達到了10902m。如

16、圖6所示：圖6 水下機器人 圖7 仿生UUV 我國的水下機器人的研究工作在歷史上發(fā)展較慢，二十世紀六十年代中期對水下機器人進行了探索性研究，70年代研制了拖曳式潛水器。從20世紀70年代末到80年代初，隨著工業(yè)機器人技術的發(fā)展，以及海上救助打撈和海洋石油開采的需要，我國也開始了水下機器人的研制與應用工作。上海交通大學和中國科學院聯(lián)合研制了我國第一艘無人遙控潛水器“HR-O 1”號。中科院沈陽自動化所等單位研制了“CR-O1”和“CR-02”型潛深6000m、航程小于50公里的無人無纜水下機器人。哈爾濱工程大學水下機器人國防科技重點實驗室研制的多種自主式智能水下機器人系列等.如“仿生”系列(圖7

17、) ,“微龍”系列(圖11)水下機器人。其中“仿生一I”總長2.4m，最大直徑0.62m ,潛深10m，負載能力60kg，仿金槍魚推進，配有月牙形尾鰭和一對聯(lián)動胸鰭。“微龍一I”總長0.95m ,排水量76kg。軀體為扁圓截而，長方形外殼，非水密部分為玻璃鋼材質(ci zh)，內置雙圓柱鋁合金水密耐壓殼體。軀體的長寬比為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主推進器、可調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、探測聲納、超短基線水聲定位系統(tǒng)、磁羅經(jīng)、深度計等。3 機器人的發(fā)展趨勢3.1 向智能型發(fā)展(fzhn) 增加水下機器人行為的智能水平一直

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

19、裝置、傳感器、控制器、電源等集成到一塊硅片上，構成微機電系統(tǒng)，才能實現(xiàn)機器人整體結構的微型化。3.3 仿生機器人的相似性和多變性 在軍事偵察和間諜任務中，如果仿生機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。因此，仿生機器人的外形與所模仿的生物的相似性，是仿生機器人研究的熱點之一。日本研制的變形機器人包括若干小機器人，小機器人通過紅外傳感器和照相機識別周圍的障礙物，然后相互協(xié)調，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。機器人的多變性使其能夠進入各種人類難以接近的災害現(xiàn)場實施調查，還有望應用于航天等領域。4 展望(zhn

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

21、究J哈爾濱工程大學學報，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六邊形對稱分布六腿機器人的典型步態(tài)及其運動性能分析J機器人，2010,32 (6) :759-765Ding X L,Wang Z Y, Rov

22、etta A. Typical gaits and motion analysis of a hexagonal symmetrical hexapod robot JRobot,2010,32(6):759 765 (in Chinese)4 徐坤，丁希侖，李可佳圓周對稱分布六腿機器人三種典型行走步態(tài)步長及穩(wěn)定性分析J機器人，2012 , 34 (2) :231 241Xu K, Ding X L,Li K J. Stride size and stability analysis of a radially symmetrical hexapod robot in three typical gaits J. Robot 2012 34 (2):231一241(inChinese)5 王倩，陳甫，減希品，等新型六足機器人機構與控制系統(tǒng)設計J機械設訓一與制造，2008,3(3):148 150 Wang Q ,Chen P ,Za