仿生机器人的研究现状及其发展方向.doc

学 号 1210111188

论文题目 仿生机器人的研究进展及发展趋势

学生姓名 颛孙鹏

院 别 机械工程学院

专业班级 12机自（3）班

指导教师 周妍

仿生机器人的研究进展及其发展趋势

摘 要：随着机器人智能化技术的进步，机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注。主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望。

关键词：仿生机器人；研究现状；发展方向

人们对机器人的幻想与追求已有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。1959年,第一台工业机器人在美国诞生，近几十年，各种用途的机器人相继问世，使人类的许多梦想变成了现实。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性，机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天，仿人及仿生物机器人相继被研制出来，仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员。

1 仿生机器人的基本概念
仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类。仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。

2 仿生机器人的国内外研究现状
2.1 水下仿生机器人
水下机器人由于其所处的特殊环境，在机构设计上比陆地机器人难度大。在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压。由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展。鱼类在水下的行进速度很快，金枪鱼速度可达105km/h，而人类最快的潜艇速度只有84km/h。所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的，鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象。仿鱼推进器效率可达到70%～90%，与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多，有效地解决了噪音问题。美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人。在国内，中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机

。
美国罗克威尔公司和IS机器人公司研制的扫雷机器蟹，得到了美国国防高级研究计划局及海军研究局的资助。这种扫雷机器蟹可以隐藏在海浪下面,在水中行走，也可以通过振动，将整个身子隐藏在泥沙中。扫雷机器蟹长约560mm，重10.4kg。它还装备了多个状态传感器和集成的控制系统，并且每条腿都具有2个运动自由度，当地形改变时，通过这些系统可迅速地调整机器人的姿态和运动方式，使机器人能稳定、迅速地到达目标区域。当遇到水雷时，就把它抓住，等待控制中心的命令。一旦收到信号,就会自己爆炸，同时引爆水雷。
水下机器鱼和机器蟹的灵活性远远高于现有的潜艇，几乎可以达到水下任何区域，由人遥控，它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴，可用于测绘海洋地图，检测水下污染，拍摄海洋生物。也可以悄悄地溜进敌方的港口，进行侦察而不被发觉。作为军用侦察和科学探索的工具，其发展和应用的前景十分广阔。

2.2 空中仿生机器人
空中机器人即具有自主导航能力，无人驾驶的飞行器。这类机器人活动空间广阔、运动速度快，居高临下而不受地形限制。在军事、森林火灾以及灾难搜救中，前景极好。其飞行原理分为：固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究。它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理，将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量做长距离飞行，同时具有较强的机动性，适合于长时间无能源补给及远距离条件下执行任务。
美国加州大学伯克利分校的科学家们利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”。他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺，造出了只有长10mm，宽3mm，厚0.005mm的仿生翅膀。它能够每秒钟扇动150下，而且还让机器蝇实现了绑在一根细线上的半自主飞行。其重量只有0.1g，身高不到30mm，在100m上空飞行，人们用肉眼几乎发现不了它，而它却可以拍出极为清晰的照片传回来。美国五角大楼对有望成为“微型间谍”的机器蝇极为重视,设想机器蝇在未来战争中，可以进行空中侦察，甚至可以带上微型炸药，袭击指定目标。在未来的机器蝇身上，将安装许多传感器和微型摄像机，可以用来发现森林火灾，在灾难中搜寻废墟中的幸存者。

2.3 地面仿生机器人
美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究，并研制出许多样机。日本东京大学的Hirose教授从仿生学的角度，在1972年研制了第一台蛇形机器人样机。美国卡内基-梅隆大学近日研究出一种可以攀爬管道的蛇形机器人，这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成，最大也只有成人手臂大小。机器人配有摄像机和电子传感器，可以接受遥控指挥。蛇形机器人可以成功上下一根塑料管道，并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由。让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭，能更快地找到幸存者，为灾难救援工作带来了技术突破。在国内，上海交通大学、中科院沈阳自动化研究所、国防科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机。这条长1200mm，直径60mm，重1.8kg的机器蛇，能扭动身躯，在地上或草丛中蜿蜒爬行，可前进、后退,转弯和加速

，最大前进速度可达20m/min，披上特制的“蛇皮”后还能像蛇一样在水中游泳。机器蛇头部安装有视频监视器，可以将机器蛇运动前方的情况实时传输到电脑中，科研人员则可根据实时传输的图像观察运动前方的情景，不断向机器蛇发出各种遥控指令。
2001年美国科学家经过对壁虎脚掌的研究，认为壁虎等爬壁生物能够在各种表面无障碍地运动，其脚掌与接触面之间的接触力是分子间作用力。基于分子间作用力的吸附机制，与真空吸附和磁吸附相比在航天领域有着明显的优势。例如，在人造卫星表面工作的小型机器人，与卫星表面的吸附连接不能依靠负压吸附，也不能依靠磁力吸附，而如果能够研制出像壁虎那样基于分子间作用力吸附的机器人脚掌,那么这种机器人的实现就简单多了。美国斯坦福大学的一个研究小组在2006年开发出了一种仿壁虎机器人，称为Stickybot[5]。Stickybot具有4只粘性脚，每个脚有4个脚趾，趾底长着数百万个极其微小的由人造橡胶制成的人造绒毛用于粘附。每个脚趾都有脚筋，脚筋可以实现脚趾的外翻与展平，每个脚上的4个脚筋可以联动，可轻松实现脚与附着面的吸附与脱离.壁虎的腿是四杆机构，依靠一个电机实现腿的前后移动，并借助另外一个电机实现四杆机构平面的转动从而实现抬腿动作。此外，有一个电机实现壁虎脚趾的驱动。Stickybot从吸附原理、运动形式，机器人外形上都比较接近真实的壁虎。受壁虎的启发，美国拟开发爬行手套和爬行鞋，完成攀登救援等工作。国内北京航空航天大学和南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所合作也在进行与仿壁虎机器人相关的研究。

2.4 仿人机器人
自1983年以来，美国研制出一系列7自由度拟人单臂和双臂一体机器人并已用于空间站实验。1986年美国犹他州大学工程设计中心研制成功了著名的UTAHMIT灵巧手，该手有4指,拇指2关节，其余3指各有3关节，手指关节绳索驱动并设有张力传感器。1990年由贝尔实验室完成了灵巧手的软硬件控制系统，并模拟人手的拿、夹、抓、握物体等多种动作进行了实验。1992年日本进行多指仿人手臂真实作业的研究，系统由主从手臂及传感控制系统组成，其灵巧手有4指，每指有3个关节，手具有14个自由度。随着多指灵巧手研究的发展，具有灵巧手的仿人臂及其系统的研究愈来愈受到重视。日本本田公司和大阪大学联合推出的P1、P2和P3型仿人步行机器人，将仿人机器人的研究推向一个崭新的高度。在P3的基础上本田公司又研制了“Asimo”智能机器人，“Asimo”机器人高1.2m，体重43kg，它可以爬楼梯，以6km/h的速度奔跑，可以识别各种各样的声音，还能够通过头部照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序识别人类的各种手势运动以及10种不同的脸型，可以和人手拉着手走路，使用手推车搬运物品等。
国内一些科研院所也进行了仿人机器人的研究。北京航空航天大学机器人研究所在国家“863”智能机器人主题支持下，研制出了能实现简单抓持和操作作业的3指9自由度灵巧手。哈尔滨工业大学机器人研究所研制了高灵活性的仿人手臂及拟人双足步行机器人，其仿人手臂具有工作空间大、关节无奇异姿态、结构紧凑等特点，通过软件控制可实现避障、回避关节极限和优化动力学性能等。双足步行机器人为关节式结构，具有12个自由度，可以完成仿人步行的动作。

2.5 生物机器人生物机器人
即活体生物的人工控制，是生物学、信息学、测控技术、微机电系统技术高度发展并互相结合的产物。世界各国早已开展利用动物作战的研究，如训练狗钻入敌方要地将其炸毁，或利用海豚侦察潜艇等。现在更多的国家都在研究将微型传感器安装到动物的身上，使其进入人类无法到达的地方。1995年，日本东京大学的Shimoyama教授领导的课题组研究蟑螂的控制技术，即把蟑螂头上的探须和翅膀切除，插入电极和微处理器以及红外传感器，通过遥控信号产生电刺激,使蟑螂向特定的方向前进。2002年，美国纽约州立大学通过在老鼠体内植入微控制器，成功实现对老鼠的转弯、前进、爬树和跳跃等动作的人工控制。国内的南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所在研制仿壁虎机器人的同时也在研究壁虎的人工控制技术，把微电极植入壁虎体内，通过电刺激模拟神经,来控制其运动。

3 仿生机器人的发展方向
3.1 仿生机器人结构的微型化
微型仿生机器人可用于小型管道进行检测作业，可进入人体进行检查和实施治疗而不伤害人体，也可以进入狭小的复杂环境进行作业等。仿生机器人微型化的关键是实现机电系统的微型化，即将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上，构成微机电系统，才能实现机器人整体结构的微型化。

3.2 仿生机器人的相似性和多变性
在军事侦察和间谍任务中，如果仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完全一致，将能更隐蔽地、更安全地完成任务。日本研制的变形机器人包括若干小机器人，小机器人通过红外传感器和照相机识别周围的障碍物，然后相互协调，按照不同需要组合成狗、蜘蛛和蛇等7种形态，可以根据环境变化而改变自己的形状。机器人的多变性使其能够进入各种人类难以接近的灾害现场实施调查，还有望应用于航天探测等领域。

3.3 仿人机器人的多功能性
21世纪人类将进入老龄化社会，发展多功能仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。

3.4 仿生机器人群
仿生机器人群通常应用在需要多机器人协作的场合，如机器人生产线、柔性加工工厂、消防、无人作战机群等。它是通过模仿蚂蚁、蜜蜂以及人的社会行为而衍生的仿生系统，通过个体之间的合作完成某种社会性行为，通过群体行为增强个体智能，提高系统整体的工作效率。

4 结 论

随着机器人作业环境的复杂化，要解决机器人面临的问题，必须向自然界学习，从自然界为人类提供的丰富多彩的实例中寻求解决问题的途径，通过对自然界生物的学习、模仿、复制和再造的过程中，发现和发展相关的理论和技术方法，使机器人在功能和技术层次上不断提高。仿生机器人在军事，娱乐和服务等方面的重要性，已经成为21世纪机器人研究的热点。
参考文献：
[1] 刘江。我国第一条仿生机器鱼正式宣布研制成功[N]。科技日报，2004-12-7。
[2] 刘进长，辛建成。机器人世界[M]。郑州：河南科学技术出版社，2000。
[3] 梁燕。未来世界的超级间谍美军机器苍蝇问世[N]。环球时报，2002-11-11。
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[5] 王田苗，孟思，裴葆青等。仿壁虎机器人研究综述[J]。机器人，2007，29(3)：290-297。
[6] 尤亮。第二代“阿西莫”机器人首次在欧洲公开亮相[EB/OL]。
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[9] 迟冬祥，颜国正.仿生机器人的研究状况及其未来发展[J]。机器人，2001,23(5)：476-480。
[10]张秀丽，郑浩峻，陈恳等。机器人仿生学研究综述[J]。机器人，2002,24(2)：188-192。

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