仿生機(jī)器人現(xiàn)狀

1、仿生機(jī)器人現(xiàn)狀仿生學(xué)Bionics研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理的科學(xué)。仿生學(xué)一詞 是1960年由美國(guó)JE斯蒂爾根據(jù)拉丁字“bios”（ “生命方式”的意思）和字尾“nic ” （“具有，的性質(zhì)”的意思）構(gòu)成的。他認(rèn)為“仿生學(xué)是研究以模仿生物系統(tǒng)的方式、 或是以具有生物系統(tǒng)特征的方式、或是以類似于生物系統(tǒng)方式工作的系統(tǒng)的科學(xué)”。盡管人類 在文明進(jìn)化中不斷從生物界受到新的啟示，但仿生學(xué)的誕生，一般以1960年全美第一屆仿生學(xué)討 論會(huì)的召開(kāi)為標(biāo)志。仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生，研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及生物體各組成 部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)

2、和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。例如，建筑上模 仿貝殼修造的 大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建 材承受最大的載荷。分子仿生，研究與模擬生物體中胞的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分 子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲(chóng)舞毒蛾性引誘激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)后， 合成了一種類似有機(jī)化合物，在田間捕蟲(chóng)籠中用千萬(wàn)分之一微克，便可誘殺雄蟲(chóng)。能量仿生，研究與模仿生物電器官、生物發(fā)光、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生 物體中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。信息與控制仿生，研究與模擬感覺(jué)器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級(jí)中樞的智能活 動(dòng)等方面生物體中的信息處理過(guò)程。例

3、如根據(jù)象鼻蟲(chóng)視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測(cè)速儀”可測(cè)定飛機(jī)著陸速度。根據(jù)鱟復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理，研制成功可增強(qiáng)圖像輪 廓、提高反差、從而有助于模糊目標(biāo)檢測(cè)的一些裝置。此外，它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài)， 運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)物的定向與導(dǎo)航等生物系統(tǒng)中的控制機(jī)制，以及人-機(jī)系統(tǒng)的仿生學(xué)方面。某些文獻(xiàn)中，把分子仿生與能量仿生的部分內(nèi)容稱為化學(xué)仿生，而把信息和控制仿生 的部分內(nèi)容稱為神經(jīng)仿生。仿生學(xué)的范圍很廣，信息與控制仿生是一個(gè)主要領(lǐng)域。一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的 需要，另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段，使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑 戰(zhàn)。人工智能和智能機(jī)器人研究的仿生學(xué)方面一生物模式識(shí)

4、別的研究，大腦學(xué)習(xí)、記憶和思維過(guò)程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協(xié)調(diào)問(wèn)題等一是仿生學(xué)研究的主攻方面。控制與信息仿生和生物控制論關(guān)系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過(guò)程，都運(yùn)用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構(gòu)造實(shí)用人造硬件系統(tǒng)；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術(shù)科學(xué)的理論出發(fā)，為生物行為尋求解釋。模擬和模型方法是仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn)。其目的是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實(shí)現(xiàn)特定功能為中心目的。在仿生學(xué)研究中存在下列3個(gè)相關(guān)的方面：生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型。前者是基礎(chǔ)，后者是目的，而數(shù)學(xué)模型則是兩者之間必不可少的橋梁。由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，搞清生物系統(tǒng)的機(jī)制需要相當(dāng)長(zhǎng)

5、的研究周期，而且解決實(shí)際問(wèn)題需要多學(xué)科長(zhǎng)時(shí)間的密切協(xié) 作，這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的主要原因。人工肌肉我們之所以能夠行動(dòng)、舉起重物，靠的是肌肉與骨骼的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。肌肉的最小單元是肌纖維，肌纖維由肌動(dòng)蛋白和肌凝蛋白兩種蛋白質(zhì)交錯(cuò)排列而成。十多年前，美國(guó)太空總署為了在外太空工作，計(jì)劃開(kāi)發(fā)新型的機(jī)器手臂，來(lái)完成傳統(tǒng)油壓機(jī)器手臂無(wú)法做的精密動(dòng)作。 藉由模仿人類手臂肌肉的動(dòng)作，開(kāi)發(fā)出多種材料，可以藉由電流的通過(guò)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，這類的材料 稱為電致動(dòng)聚合物。電致動(dòng)聚合物的動(dòng)作原理和肌肉收縮原理有些不同，隨著電位大小的變化，會(huì)產(chǎn)生不同程度的形狀改變。通電時(shí)，電致動(dòng)聚合物內(nèi)部分子受到電位的影響，使分子排列從原本的結(jié)

6、構(gòu)變成偏往某一端聚集，整個(gè)外觀看起來(lái)，就像是整條電致動(dòng)聚合 物如同肌纖維一樣彎曲、縮短或伸長(zhǎng)。當(dāng)電位的方向改變時(shí)，又會(huì)使電致動(dòng)聚合物向另一個(gè)方向彎曲。電致動(dòng)聚合物的這種特性，為其贏得了人工肌肉的稱號(hào)。人工肌肉可以應(yīng)用于機(jī)器手臂，由于聚合物的重量比金屬輕了許多，應(yīng)用于外太空可以大幅減 少載重。目前國(guó)外已經(jīng)成功利用電致動(dòng)聚合物制造出機(jī)器手臂和機(jī)器臉，機(jī)器手臂已可做出如伸出某支手指這種精密的動(dòng)作，未來(lái)可以開(kāi)發(fā)出手術(shù)用的機(jī)械手臂，機(jī)器臉也有能力做 出像是眨眼或動(dòng)嘴唇的膘情。電致動(dòng)材料的發(fā)展與應(yīng)用目前尚處于初期的階段，現(xiàn)有的電致動(dòng)聚合物仍有許多缺點(diǎn)等待克 服，如降低驅(qū)動(dòng)電壓、增進(jìn)機(jī)械強(qiáng)度、加大變形程度、

7、以及加快反應(yīng)速度等。除了上述機(jī)械手臂和機(jī)械臉的應(yīng)用外，電致動(dòng)聚合物也被制成機(jī)器昆蟲(chóng)或可以在水中游泳的機(jī)器魚(yú)。電致 動(dòng)聚合物也可以用在醫(yī)療方面，例如量血壓用的壓脈帶，甚至用來(lái)替換受損傷的肌肉組織。當(dāng)病 患的肌肉壞死無(wú)法動(dòng)作時(shí)，醫(yī)療人員便可利用電致動(dòng)聚合物植入患處，配合適當(dāng)?shù)碾姶碳?，使殘?者可以重新活動(dòng)，不需要再倚賴輪椅和拐杖了。藉由仿效自然法則，模擬感官接收、傳遞、運(yùn)作的方法與機(jī)制，可以為人類帶來(lái)許多福祉。未來(lái)仿生科技結(jié)合奈痙材料及生物技術(shù)，可以制造人工視網(wǎng)膜、人工味蕾、人工神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)等更復(fù)雜的人工感官系 統(tǒng)，必會(huì)對(duì)人類的生活提供更多的助益。i-Limb的新型仿生手據(jù)報(bào)導(dǎo)，這只堪稱“全球第一

8、手”的精良仿生手系由蘇格蘭觸摸仿生公司制造，其發(fā)明者是 英國(guó)國(guó)家衛(wèi)生體系蘇格蘭洛錫安區(qū)的復(fù)康部主管大衛(wèi)高醫(yī)生，目前已經(jīng)申請(qǐng)專利。高醫(yī)生潛心 研究義肢20年，9年前開(kāi)始嘗試研制仿生手。他表示，這是當(dāng)今市場(chǎng)上首只指頭可以像真手般活動(dòng)的義肢。因此技術(shù)堪稱世界一流。由于其材料選用類似制造汽車引擎零件的輕量化塑膠制成， 完全防水，并且比真手還輕。Touch Bio nics仿生公司宣稱這是迄今能做出最細(xì)微動(dòng)作的義肢。用戶只要輕輕動(dòng)手臂肌肉便能操縱仿生機(jī)械手，手上5根指頭都可獨(dú)立運(yùn)作，并通過(guò)患者的思維和肌肉來(lái)控制動(dòng)作任 意做出打字、撥號(hào)碼、用鑰匙開(kāi)鎖等復(fù)雜動(dòng)作，宛如真手一般靈活自如。發(fā)明該仿生手的醫(yī)生表示

9、，這只仿生手是目前最先進(jìn)的，這是市場(chǎng)上首只仿生手的手指頭能夠像真手般活動(dòng) 的義肢?！?i-LIMB ”的每根手指都安裝有一個(gè)微型馬達(dá)，并且可由其穿戴者發(fā)出的神經(jīng)脈沖加以控 制。該仿生手憑手臂肌肉推動(dòng)，其表面覆蓋有一層類比人類皮膚的半透明人工美容皮膚，逼真度極 高。只要裝上仿生手，貼在穿戴者手臂的電極會(huì)將信號(hào)傳送至微型馬達(dá)，推動(dòng)仿生手做出各種動(dòng)作。不過(guò)，就手的觸覺(jué)來(lái)說(shuō)，這只仿生手目前只能做到利用小部份的感覺(jué)信號(hào)，經(jīng)由神經(jīng)系統(tǒng)傳達(dá)到大腦，所以還有相當(dāng)大的發(fā)展空間。更讓人驚奇的是，這只生化電子手能和截肢者的身體完美的結(jié)合，造福傷殘人士。而在這項(xiàng)發(fā)明中，最令我們?nèi)杠S的是神經(jīng)末端和電子手部間的無(wú)線傳達(dá)，

10、為支援熱插拔(hot-swap )的嵌入性手臂開(kāi)創(chuàng)了新契機(jī)。仿生手未推出前曾作臨床實(shí)驗(yàn)，14名分別來(lái)自英國(guó)及美國(guó)的人裝上仿生手， 他們大都表示，仿生手遠(yuǎn)比一般義肢好用。4.仿生機(jī)器人仿生機(jī)器人的基本概念仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式的系統(tǒng)，能從事生物特點(diǎn) 工作的機(jī)器人。仿生機(jī)器人的類型很多，主要為仿人、仿生物和生物機(jī)器人3大類。仿生機(jī)器人的主要特點(diǎn)：一是多為冗余自由度或超冗余自由度的機(jī)器人，機(jī)構(gòu)復(fù)雜；二是其驅(qū)動(dòng)方 式有些不同于常規(guī)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，通常采用繩索、人造肌肉或形狀記憶合金等驅(qū)動(dòng)。仿生機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀水下仿生機(jī)器人水下機(jī)器人由于其所處的特殊環(huán)境，在機(jī)

11、構(gòu)設(shè)計(jì)上比陸地機(jī)器人難度大。在水下深度控制、深水壓力、線路絕緣處理及防漏、驅(qū)動(dòng)原理、周圍模糊環(huán)境的識(shí)別等諸多方面 的設(shè)計(jì)均需考慮。以往的水下機(jī)器人采用的都是魚(yú)雷狀的外形，用渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有堅(jiān)硬的外殼以抵抗水壓。魚(yú)類的推進(jìn)方式已成為人們研制新型高速、低噪音、機(jī)動(dòng)靈活的柔體潛水器模仿的對(duì)象。仿魚(yú)推進(jìn)器效率可達(dá)到70% 90%，與水的相對(duì)速度比螺旋槳推進(jìn)器小得多，有效地解決了噪音問(wèn)題水下機(jī)器魚(yú)和機(jī)器蟹的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn) 高于現(xiàn)有的潛艇，幾乎可以達(dá)到水下任何區(qū)域，由人遙控，它可輕而易舉地進(jìn)入海底深處的 海溝和洞穴，可用于測(cè)繪海洋地圖，檢測(cè)水下污染，拍攝海洋生物，也可以悄悄地溜進(jìn)敵方 的港口，進(jìn)行偵察而不被發(fā)

12、覺(jué)，作為軍用偵察和科學(xué)探索的工具，其發(fā)展和應(yīng)用的前景十分廣闊?？罩蟹律鷻C(jī)器人空中機(jī)器人即具有自主導(dǎo)航能力，無(wú)人駕駛的飛行器。這類機(jī)器人活動(dòng)空間廣闊、運(yùn)動(dòng) 速度快，居高臨下而不受地形限制，在軍事、森林火災(zāi)以及災(zāi)難搜救中，前景極好。其飛行 原理分為：固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行。目前國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的微型飛行器側(cè)重于撲 翼機(jī)的研究，它模仿鳥(niǎo)類或昆蟲(chóng)的撲翼飛行原理，將舉升、懸停和推進(jìn)功能集于一個(gè)撲翼 系統(tǒng)，可以用很小的能量做長(zhǎng)距離飛行，同時(shí)具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，適合于長(zhǎng)時(shí)間無(wú)能源補(bǔ)給 及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)。地面仿生機(jī)器人可以攀爬管道的蛇形機(jī)器人，這種蛇形機(jī)器人大部分由輕質(zhì)的鋁或塑料組成，最大也只 有成

13、人手臂大小，機(jī)器人配有攝像機(jī)和電子傳感器，可以接受遙控指揮。蛇 形機(jī)器人可以成 功上下一根塑料管道，并可以跨越廢墟碎片間的巨大空隙以及在草叢中來(lái)去自由，讓蛇形機(jī) 器人在坍塌廢墟中穿梭，能更快地找到幸存者，為災(zāi)難救援工作帶來(lái)了技術(shù)突破。仿人機(jī)器人自1983年以來(lái)，美國(guó)研制出一系列7自由度擬人單臂和雙臂一體機(jī)器人，并已用于 空間站實(shí)驗(yàn).1986年美國(guó)猶他州大學(xué)工程設(shè)計(jì)中心研制成功了著名的UTAHM IT靈巧手，該 手有4指，拇指2關(guān)節(jié)，其余3指各有3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 人手的拿、夾、抓、握物體 等多種動(dòng)作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).

14、1992年日本進(jìn)行多指仿人手臂真實(shí)作業(yè)的研究，系統(tǒng)由主從手臂及 傳感控制系統(tǒng)組成，其靈巧手有4指，每指有3個(gè)關(guān)節(jié)，手具有14個(gè)自由度。隨著多指靈 巧手研究的發(fā)展，具有靈巧手的仿人臂及其系統(tǒng)的研究愈來(lái)愈受到重視。日本本田公司和大 阪大學(xué)聯(lián)合推出的P1、P2和P3型仿人步行機(jī)器人，將仿人機(jī)器人的研究推向一個(gè)嶄新的 度。在P3的基礎(chǔ)上本 田公司又研制了“ Asimo”智 能機(jī)器人，如圖6所示.“Asimo”機(jī) 器人高1.2m ,體重43kg，它可以爬樓梯，以6km /h的速度奔跑，可以識(shí)別各種各樣的聲 音，還能夠通過(guò)頭部照相機(jī)捕捉到的畫面和事先設(shè)計(jì)好的程序識(shí)別人類的各種手勢(shì)運(yùn)動(dòng)以及 10種不同的臉型

15、，可以和人手拉著手走路，使用手推車搬運(yùn)物品等。國(guó)內(nèi)一些科研 院所也 進(jìn)行了仿人機(jī)器人的研究。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所在國(guó)家863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。哈 爾濱工業(yè)大學(xué)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，可以完成仿人步行的動(dòng)作。仿生機(jī)器人的發(fā)展方向1. 仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)的微型化微型仿生機(jī)器人可用于小型管道進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)，可進(jìn)入人體進(jìn)行檢查和實(shí)施治而不傷 害人體

16、，也可以進(jìn)入狹小的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行作業(yè)等。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，即將驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)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。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).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)用于航天探測(cè)等領(lǐng)域。仿人機(jī)器人的多功能性21世紀(jì)人類將進(jìn)入老齡化社會(huì)，發(fā)展多功能仿人機(jī)器人將彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足， 解決老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會(huì)問(wèn)題，并能開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)。仿生機(jī)器人群仿生機(jī)器人群通常應(yīng)用在需要多機(jī)器人協(xié)作的場(chǎng)合，如機(jī)器人生產(chǎn)線、柔