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仿生机器人的研究综述
摘 要:介绍了国内外仿生机器人的最新发展动态。归纳和阐述了各种类型仿生机器人的特点及研究成果,分析了仿生机器人的发展趋势。
关键词:仿生机器人;研究成果;发展趋势
机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。西周时期,中国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人,这是中国最早记载的机器人,体现了中国劳动人民的聪明智慧。1738年,法国天才技师杰克#戴#瓦克逊创造了一只机器鸭,它会嘎嘎叫,会游泳和喝水,还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。1893年摩尔制造了/蒸汽人0,/蒸汽人0靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。进入20世纪后,机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持,一些适用化的机器人相继问世,1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人/电报箱0,并在纽约举行的世界博览会上展出。1959年第一台工业机器人(可编程、 圆坐标)在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高,移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展,推动了机器人概念的延伸。20世纪,将具有感觉、 思考、 决策和动作能力的系统称为智能机器人,这是一个概括的、 含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间,地面机器人、 微小型机器人、 水下机器人、 空中机器人等各种用途的机器人相继问世,许多梦想成为了现实。
仿生机器人是指模仿生物、 从事生物特点工作的机器人。仿生机器人是机器人技术领域中一个新兴的发展分支,是当前机器人领域的研究热点。过去、 现在甚至未来,对仿生机器人的研究,都是多方面的。近些年,国内外有诸多学者开始对仿生机器人进行深入细致的研究。仿生机器人的种类有很多种,有天上飞的,地上走的,甚至还有水里游的。而地上走的,根据行走方式的不同,还能够分为跳跃机器人、 轮式机器人、 足式机器人以及爬行机器人等。下面,笔者将具体描述各类型机器人的发展现状及成果。
1 仿生机器人的研究现状
1.1 跳跃机器人
仿生跳跃机器人涉及仿生学、 机械学和控制学等多学科交叉,具有许多当前科技发展水平难以逾越的技术难点,研制难度大。对这种机器人进行研究的最初目的是模拟袋鼠、 麻雀等动物的骨骼机构和运动方法。随着对这种机器人研究的深入,这种技术能够被用来研究运动员的跳高、 跳远、 跳水、 蹦床和体操等运动,从而提高运动员的成绩。另外,在星际探索中,由于月球与火星表面重力加速度大大低于地球,跳跃机器人能够越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物,因此在外星探索中有着广泛的应用前景。越障是跳跃机器人的一个主要功能,当前,国内外对机器人越障性能方面的研究较少。近年来,机器人研究者们正试图研制能够很好地体现动物运动原理的机构模型,当前除了Raibert和Zeglin共同研制的Uniroo以及Hyon研制的Kenken能够成功跳跃以外,还没发现有其它成功案例。
1.2 足式机器人
步足式仿生机器人是机器人研究领域最先研究的对象之一,近十几年,随着计算机等硬件设备的发展和设计领域的创新,各国对足式机器人的研究明显增多。足式步行机器人能够在不平坦、 未知的环境中行走,并承担某些危险工作,且动作敏捷、 适应能力强,能够高度自主自治。因此,多足步行机器人在军事、 航天、 工业等领域都有广泛的应用前景。多足步行机器人不但具有独立行走、 承载等功能,在到达目的地后,每条腿还能够作为机械手臂进行相关操作。地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带车辆所到达,而多足式动物却能够在这些地面上行走。足式步行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的热点。由于足式机器人的立足点是离散的点,能够在可能到达的地面上选择最优的支撑点,足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力,因此足式机器人受到各国研究人员的普遍重视。各国先后有许多典型的足式试验机器人先后问世,比较著名的是日本东京工业大学的泰坦Ø型,德国的四足机器人BISAM,上海交通大学的四足机器人JTUWM-Ó,华中科技大学研发的/4+20多足步行机器人。很多学者在仿人机器人双足动步行方面也做了大量研究工作。如:早稻田大学的/WABIAN0、 东京大学的H6和H7、 本田公司的P系列和ASIMO。
为了获得足式移动机器人的最大移动灵活性和环境适应性,Dr.Wu和Pro.fFukuda在 首次提出并研制了一种具有包括双足步行、 四足步行在内的多种移动方式的/类人猿型机器人0,而且研究了步行方式的转换运动控制问题。 ,SONY公司在开发出的四足玩具机器人/AIBO0基础上,研制了具有双足直立行走功能的/ERS-210(AIBO)0机器人。 ,Dr.Wu又研制出了新型类人猿型机器人系统/GOROBOT0。
1.3 爬壁机器人
仿壁虎爬壁机器人就是模仿自然界中壁虎的精巧结构、 运动原理和行为方式的机器人系统。当前,各种形式的爬壁机器人中绝大多数在第一步实现壁面吸附时均需要外力协助。这种外力或者来自操作人员,或者由专用的机械装置(如机械手等)提供。由微纳米加工工艺制成的仿壁虎吸附装置来模拟壁虎的脚趾,这种装置对环境和接触表面的适应性远远地强于传统的吸附装置(如真空吸附、 磁力吸附、 推力吸附),且吸附性能好,控制系统简单,能够较容易地跨越较大的障碍(如沟、 坎等),而且运动更加灵活,对凹凸不平的地形适应能力更强。在国外,美国加州大学伯克利分校和iRobot公司均对仿壁虎机器人进行了研究,并研制出能在干燥环境下实现壁面爬行的仿壁虎机器人的样机。美国卡耐基梅隆大学纳米机器人实验室也对仿壁虎爬壁机器人做了大量的研究,研制出刚性和柔性两种不同类型的仿壁虎机器人,虽然它们均能以20mm/s的速度成功地沿倾角为65b的斜面爬行,可是其稳定性和灵活性比较差。在国内,南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所对壁虎脚底刚毛结构和爬行步态进行了研究,为仿壁虎机器人的机构设计和步态规划提供了依据。合肥智能机械研究所仿生微纳米机器人实验室经过对壁虎脚底绒毛阵列粘附和脱离机理的研究,设计并制作出一种具有大附力(约2.16N/cm2)、 易于脱离、 自清洁和可重复使用等特点的仿壁虎微纳米粘附阵列。这类机器人在核工业、 石油企业、 建筑行业、 消防部门以及造船业、 公共和国家安全领域具有广泛而迫切的需求。
1.4 管道机器人
工业管道广泛用于石油、 化工、 天然气及城市给排水等领域,一般架设于空中或埋入地下,工作环境恶劣,人们很难直接介入,因此给检修、 维护等工作造成了困难。为解决这一问题,针对特定的环境要求,有学者研制了相应类型的管道机器人,其主要分管外与管内两种,以代替人工进行作业。一般对管道内表面进行除锈、 补口等处理,延长管道使用寿命,使管道能长期安全运行。管道内表面处理过程中越来越多地采用管道机器人机构作为移动载体。
当前的管道机器人,比如利用螺旋轮实现机器人本体向前、 向后运动的Hel-iPipe管道机器人和法国CedricAnthierens等人为检测核电站蒸汽发生器管道而研制的/电动-气动0驱动的蠕动式管道机器人等,都是为特定直径的管道专门设计的。在现代工业特别是石化行业存在各种不同用途、 不同尺寸的管道,管道直径发生了变化,就必须重新设计制造,因而增加了成本。哈尔滨工业大学的邓宗全等人研制的6轮独立驱动管道机器人,采用弹簧封闭力机构,实现适应管径变化的功能。韩国ChoiHR等人开发出的用于天然气管道检测的管道机器人,利用/弹簧+平行四边形机构0来适应管径变化。上海交通大学设计的管道机器人则采用滚珠丝杠螺母副调节行走轮的位置,使之始终压在管道内壁上,也实现了机器人适应管径变化的功能。
近年来,细小管道微机器人的研究也已经成为热点,大量文献报道了此类微机器人,主要可分为以下几类:螺旋驱动式、 电磁式、 气动式、 SMA式和压电式。
管道机器人在医学方面也有所应用,作为一种重要的微创外科手术,内窥镜手术得到了迅速发展。将机器人技术应用到内窥镜外科手术,可使内窥镜
手术更具安全性、 准确性和便利性。
1.5 仿生机器鱼
大自然的选择使地球上的鱼类具有非凡的水中生活能力,由于游动具有效率高、 机动性能好以及对环境扰动小等优点,仿生机器鱼技术的研究已成为当前水下机器人领域研究的热点之一。1994年美国麻省理工学院(MIT)成功研制了一个电机驱动的8关节新月形对称尾鳍的机器金枪RoboTuna,开启了机器鱼研制的先河,其后多个研究单位都开始了机器鱼的研究与研制,如:日本运输省船舶研究所(SRI)研制了PF系列和UPF系列机器鱼,国内北京航空航天大学研制了5关节机器海豚等。随着机器鱼技术的发展,新型号的仿生机器鱼可广泛应用于许多领域,如管道检测,海洋生物观察,水下探测,军事应用以及娱乐等许多方面。近年来,模仿水生动物推进方式的仿鱼尾推进系统应用于水下无人探测器的可行性已经得到了初步的验证。如美国MIT的RoboTuna、 美国Draper实验室的VCUUV、 日本东京工业大学的机器海豚、 哈尔滨工程大学的/仿生-Ñ0等。
1.6 飞行机器人
飞行机器人是基于昆虫拍翅飞行的原理,设计制造的飞行机器人。拍翅式微型仿昆飞行机器人由于其体积小、 重量轻、 成本低等特点,在民用和国防领域有着十分重要而广泛的应用,并能完成许多其它飞行器所无法执行的任务.剑桥大学、 加州大学、 东京大学等都在进行这方面的研究工作。可是,当前的研究主要集中在昆虫飞行机理和微型飞行机器人的制作方面,而有关微型仿昆飞行机器人动力学方面的研究还较少,只有加州大学的SCHENATO等人在对昆虫仿真研究时,对其身体的动力学进行了分析,建立了基于昆虫身体的动力学模型。EIIINGTON等经过对飞蛾动态比例模型的研究,针对飞蛾以大迎角飞行不失速的特点,提出了翅膀平动时的/延时失速0(delayedstal1)机理,认为由于翅膀平动时在翅背面产生较强的前缘附着涡(LEV),使翅膀产生了较大的升力。DICKINSON等经过对果蝇比例动态模型的实验研究,发现在翅上拍和下拍周期的开始阶段,有较大的冲力,考虑到翅在上拍和下拍转换时有一翻转动作,再结合了EIIINGTON的/延时失速0机理。1.7各类仿生机器人性能比较仿生机器人的种类繁多,类型各异,灵活多样。下面的表1对几类主要的地面仿生机器人的性能进行了比较。

2 仿生机器人的发展
2.1 仿生机器人结构的智能化
仿生机器人从传统的纯机械式机器人逐渐转向智能机器人,动作更加人性化,外形更加真实化。从一般的单一动作,变得更加多样化,融入了多学科的知识。仿生机器人的智能化使其能更安全、 更完美的完成任务,能够根据环境变化而改变,进入各种人类难以接近的灾害现场实施调查,来完成任务。
2.2 仿生机器人的协作化
机器人的运作不再是单一的一个机器来工作,而是需要多个机器人的合作来完成任务。各机器人之间必须互相帮助、 互相通信来协作工作。多机器人的协作控制研究是当今一个活跃且具有挑战性的课题。然而由于诸多客观条件的局限所带来的矛盾,使得更多的研究不得不先借助于仿真的手段来完成。随着多机器人研究的深入,多机器人仿真系统也有了较大发展。
2.3 仿生机器人的多功能性
除了上述仿生机器人外,还有许多机器人种类,例如蠕动机器人、 蛇形机器人、 拱泥机器人等等,都是根据具体情况来设计的,其运动方式能够多样化,在航空、 陆地和水下均可应用,外观也可根据具体的工作方式来改变。
3 结束语
随着科学技术的发展以及现阶段能源的严重缺乏,人类都在尽力开发各式各样的新能源。人类对一些未知环境的探测以及工程探险勘测、 反恐防爆、 军事侦察等人类无法完成的或危险的工作,增加了人类劳动的复杂性和危险性。用机器人来代替人类完成这些工作成了迫切需要。机器人能够作为危险地带的探险工具也能够去那些人类自身不能到达的地方。可是,现阶段关于仿生机器人的研究还存在许多缺陷,结构还不构完善,例如飞行机器人当前的研究主要集中在昆虫飞行机理和微型飞行机器人的制作方面,而有关微型仿昆飞行机器人动力学方面的研究较少。仿生机器人作为机器人家族中的重要成员,具有高度灵活性和柔性,还具有高度的易复制性,这就决定了仿生机器人必将成为21世纪机器人研究的热点,仿生机器人也将经历更高的发展阶段。

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