仿生機(jī)器人的研究綜述

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1、 仿生機(jī)器人的研究綜述 摘要:介紹了國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)器人的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。歸納和闡述了各種類型仿生機(jī)器人的特點(diǎn)及研究成果,分析了仿生機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。 關(guān)鍵詞:仿生機(jī)器人;研究成果;發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人的問(wèn)世都是近幾十年的事。然而人們對(duì)機(jī)器人的幻想與追求卻已有3000多年的歷史。人類希望制造一種像人一樣的機(jī)器,以便代替人類完成各種工作。西周時(shí)期,中國(guó)的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人,這是中國(guó)最早記載的機(jī)器人,體現(xiàn)了中國(guó)勞動(dòng)人民的聰明智慧。1738年,法國(guó)天才技師杰克#戴#瓦克遜發(fā)明了一只機(jī)器鴨,它會(huì)嘎嘎叫,會(huì)游泳和喝水,還會(huì)進(jìn)食和排泄。瓦克遜的本意是想把生

2、物的功能加以機(jī)械化而進(jìn)行醫(yī)學(xué)上的分析。1893年摩爾制造了/蒸汽人0,/蒸汽人0靠蒸汽驅(qū)動(dòng)雙腿沿圓周走動(dòng)。進(jìn)入20世紀(jì)后,機(jī)器人的研究與開發(fā)得到了更多人的關(guān)心與支持,一些適用化的機(jī)器人相繼問(wèn)世,1927年美國(guó)西屋公司工程師溫茲利制造了第一個(gè)機(jī)器人/電報(bào)箱0,并在紐約舉行的世界博覽會(huì)上展出。1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人(可編程、圓坐標(biāo))在美國(guó)誕生,開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展,使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高,移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。由于這些技術(shù)的發(fā)展,推動(dòng)了機(jī)器人概念的延伸。20世紀(jì),將具有感覺、思考、決策和動(dòng)作能力的系統(tǒng)稱

3、為智能機(jī)器人,這是一個(gè)概括的、含義廣泛的概念。這一概念不但指導(dǎo)了機(jī)器人技術(shù)的研究和應(yīng)用,而且又賦予了機(jī)器人技術(shù)向深廣發(fā)展的巨大空間,地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人、水下機(jī)器人、空中機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問(wèn)世,許多夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。 仿生機(jī)器人是指模仿生物、從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人。仿生機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)新興的發(fā)展分支,是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。過(guò)去、現(xiàn)在甚至未來(lái),對(duì)仿生機(jī)器人的研究,都是多方面的。近些年,國(guó)內(nèi)外有諸多學(xué)者開始對(duì)仿生機(jī)器人進(jìn)行深入細(xì)致的研究。仿生機(jī)器人的種類有很多種,有天上飛的,地上走的,甚至還有水里游的。而地上走的,根據(jù)行走方式的不同,還可以分為跳躍機(jī)器人、輪式機(jī)器

4、人、足式機(jī)器人以及爬行機(jī)器人等。下面,筆者將具體描述各類型機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及成果。 1仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 1.1跳躍機(jī)器人 仿生跳躍機(jī)器人涉及仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)和控制學(xué)等多學(xué)科交叉,具有許多目前科技發(fā)展水平難以逾越的技術(shù)難點(diǎn),研制難度大。對(duì)這種機(jī)器人進(jìn)行研究的最初目的是模擬袋鼠、麻雀等動(dòng)物的骨骼機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方法。隨著對(duì)這種機(jī)器人研究的深入,這種技術(shù)可以被用來(lái)研究運(yùn)動(dòng)員的跳高、跳遠(yuǎn)、跳水、蹦床和體操等運(yùn)動(dòng),從而提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。此外,在星際探索中,由于月球與火星表面重力加速度大大低于地球,跳躍機(jī)器人可以越過(guò)數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙物,因此在外星探索中有著廣泛的應(yīng)用前景。越障是跳躍機(jī)器人的

5、一個(gè)主要功能,目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人越障性能方面的研究較少。近年來(lái),機(jī)器人研究者們正試圖研制能夠很好地體現(xiàn)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的機(jī)構(gòu)模型,目前除了Raibert和Zeglin共同研制的Uniroo以及Hyon研制的Kenken能夠成功跳躍以外,還沒(méi)發(fā)現(xiàn)有其它成功案例。 1.2足式機(jī)器人 步足式仿生機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最先研究的對(duì)象之一,近十幾年,隨著計(jì)算機(jī)等硬件設(shè)備的發(fā)展和設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新,各國(guó)對(duì)足式機(jī)器人的研究明顯增多。足式步行機(jī)器人可以在不平坦、未知的環(huán)境中行走,并承擔(dān)某些危險(xiǎn)工作,且動(dòng)作敏捷、適應(yīng)能力強(qiáng),可以高度自主自治。因此,多足步行機(jī)器人在軍事、航天、工業(yè)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。多足步行

6、機(jī)器人不僅具有獨(dú)立行走、承載等功能,在到達(dá)目的地后,每條腿還可以作為機(jī)械手臂進(jìn)行相關(guān)操作。地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶車輛所到達(dá),而多足式動(dòng)物卻可以在這些地面上行走。足式步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的熱點(diǎn)。由于足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn),可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn),足式機(jī)器人對(duì)崎嶇路面也具有很好的適應(yīng)能力,因此足式機(jī)器人受到各國(guó)研究人員的普遍重視。各國(guó)先后有許多典型的足式試驗(yàn)機(jī)器人先后問(wèn)世,比較著名的是日本東京工業(yè)大學(xué)的泰坦型,德國(guó)的四足機(jī)器人BISAM,上海交通大學(xué)的四足機(jī)器人JTUWM-,華中科技大學(xué)研發(fā)的/4+20多足步行機(jī)器人。很多學(xué)者在仿人機(jī)

7、器人雙足動(dòng)步行方面也做了大量研究工作。如:早稻田大學(xué)的/WABIAN0、東京大學(xué)的H6和H7、本田公司的P系列和ASIMO。 為了獲得足式移動(dòng)機(jī)器人的最大移動(dòng)靈活性和環(huán)境適應(yīng)性,Dr.Wu和Pro.fFukuda在2000年首次提出并研制了一種具有包括雙足步行、四足步行在內(nèi)的多種移動(dòng)方式的/類人猿型機(jī)器人0,并且研究了步行方式的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。2002年,SONY公司在開發(fā)出的四足玩具機(jī)器人/AIBO0基礎(chǔ)上,研制了具有雙足直立行走功能的/ERS-210(AIBO)0機(jī)器人。2004年,Dr.Wu又研制出了新型類人猿型機(jī)器人系統(tǒng)/GOROBOT0。 1.3爬壁機(jī)器人 仿壁虎爬壁機(jī)器人就

8、是模仿自然界中壁虎的精巧結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式的機(jī)器人系統(tǒng)。目前,各種形式的爬壁機(jī)器人中絕大多數(shù)在第一步實(shí)現(xiàn)壁面吸附時(shí)均需要外力協(xié)助。這種外力或者來(lái)自操作人員,或者由專用的機(jī)械裝置(如機(jī)械手等)提供。由微納米加工工藝制成的仿壁虎吸附裝置來(lái)模擬壁虎的腳趾,這種裝置對(duì)環(huán)境和接觸表面的適應(yīng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)地強(qiáng)于傳統(tǒng)的吸附裝置(如真空吸附、磁力吸附、推力吸附),且吸附性能好,控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單,可以較容易地跨越較大的障礙(如溝、坎等),并且運(yùn)動(dòng)更加靈活,對(duì)凹凸不平的地形適應(yīng)能力更強(qiáng)。在國(guó)外,美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校和iRobot公司均對(duì)仿壁虎機(jī)器人進(jìn)行了研究,并研制出能在干燥環(huán)境下實(shí)現(xiàn)壁面爬行的仿壁虎機(jī)器人的樣機(jī)。美

9、國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室也對(duì)仿壁虎爬壁機(jī)器人做了大量的研究,研制出剛性和柔性兩種不同類型的仿壁虎機(jī)器人,雖然它們均能以20mm/s的速度成功地沿傾角為65b的斜面爬行,但是其穩(wěn)定性和靈活性比較差。在國(guó)內(nèi),南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所對(duì)壁虎腳底剛毛結(jié)構(gòu)和爬行步態(tài)進(jìn)行了研究,為仿壁虎機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃提供了依據(jù)。合肥智能機(jī)械研究所仿生微納米機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)壁虎腳底絨毛陣列粘附和脫離機(jī)理的研究,設(shè)計(jì)并制作出一種具有大附力(約2.16N/cm2)、易于脫離、自清潔和可反復(fù)使用等特點(diǎn)的仿壁虎微納米粘附陣列。這類機(jī)器人在核工業(yè)、石油企業(yè)、建筑行業(yè)、消防部門以及造船業(yè)、公共和國(guó)

10、家安全領(lǐng)域具有廣泛而迫切的需求。 1.4管道機(jī)器人 工業(yè)管道廣泛用于石油、化工、天然氣及城市給排水等領(lǐng)域,通常架設(shè)于空中或埋入地下,工作環(huán)境惡劣,人們很難直接介入,因此給檢修、維護(hù)等工作造成了困難。為解決這一問(wèn)題,針對(duì)特定的環(huán)境要求,有學(xué)者研制了相應(yīng)類型的管道機(jī)器人,其主要分管外與管內(nèi)兩種,以代替人工進(jìn)行作業(yè)。通常對(duì)管道內(nèi)表面進(jìn)行除銹、補(bǔ)口等處理,延長(zhǎng)管道使用壽命,使管道能長(zhǎng)期安全運(yùn)行。管道內(nèi)表面處理過(guò)程中越來(lái)越多地采用管道機(jī)器人機(jī)構(gòu)作為移動(dòng)載體。 目前的管道機(jī)器人,比如利用螺旋輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體向前、向后運(yùn)動(dòng)的Hel-iPipe管道機(jī)器人和法國(guó)CedricAnthierens等人為檢測(cè)核

11、電站蒸汽發(fā)生器管道而研制的/電動(dòng)-氣動(dòng)0驅(qū)動(dòng)的蠕動(dòng)式管道機(jī)器人等,都是為特定直徑的管道專門設(shè)計(jì)的。在現(xiàn)代工業(yè)尤其是石化行業(yè)存在各種不同用途、不同尺寸的管道,管道直徑發(fā)生了變化,就必須重新設(shè)計(jì)制造,因而增加了成本。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄧宗全等人研制的6輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)管道機(jī)器人,采用彈簧封閉力機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)適應(yīng)管徑變化的功能。韓國(guó)ChoiHR等人開發(fā)出的用于天然氣管道檢測(cè)的管道機(jī)器人,利用/彈簧+平行四邊形機(jī)構(gòu)0來(lái)適應(yīng)管徑變化。上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)的管道機(jī)器人則采用滾珠絲杠螺母副調(diào)節(jié)行走輪的位置,使之始終壓在管道內(nèi)壁上,也實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人適應(yīng)管徑變化的功能。 近年來(lái),細(xì)小管道微機(jī)器人的研究也已經(jīng)成為熱點(diǎn),大量文獻(xiàn)報(bào)

12、道了此類微機(jī)器人,主要可分為以下幾類:螺旋驅(qū)動(dòng)式、電磁式、氣動(dòng)式、SMA式和壓電式。 管道機(jī)器人在醫(yī)學(xué)方面也有所應(yīng)用,作為一種重要的微創(chuàng)外科手術(shù),內(nèi)窺鏡手術(shù)得到了迅速發(fā)展。將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到內(nèi)窺鏡外科手術(shù),可使內(nèi)窺鏡 手術(shù)更具安全性、準(zhǔn)確性和便利性。 1.5仿生機(jī)器魚 大自然的選擇使地球上的魚類具有非凡的水中生活能力,由于游動(dòng)具有效率高、機(jī)動(dòng)性能好以及對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn),仿生機(jī)器魚技術(shù)的研究已成為當(dāng)前水下機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。1994年美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)成功研制了一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的8關(guān)節(jié)新月形對(duì)稱尾鰭的機(jī)器金槍RoboTuna,開啟了機(jī)器魚研制的先河,其后多個(gè)研究單位都開始了機(jī)

13、器魚的研究與研制,如:日本運(yùn)輸省船舶研究所(SRI)研制了PF系列和UPF系列機(jī)器魚,國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)研制了5關(guān)節(jié)機(jī)器海豚等。隨著機(jī)器魚技術(shù)的發(fā)展,新型號(hào)的仿生機(jī)器魚可廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,如管道檢測(cè),海洋生物觀察,水下探測(cè),軍事應(yīng)用以及娛樂(lè)等許多方面。近年來(lái),模仿水生動(dòng)物推進(jìn)方式的仿魚尾推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于水下無(wú)人探測(cè)器的可行性已經(jīng)得到了初步的驗(yàn)證。如美國(guó)MIT的RoboTuna、美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室的VCUUV、日本東京工業(yè)大學(xué)的機(jī)器海豚、哈爾濱工程大學(xué)的/仿生-0等。 1.6飛行機(jī)器人 飛行機(jī)器人是基于昆蟲拍翅飛行的原理,設(shè)計(jì)制造的飛行機(jī)器人。拍翅式微型仿昆飛行機(jī)器人由于其體積小、重量

14、輕、成本低等特點(diǎn),在民用和國(guó)防領(lǐng)域有著十分重要而廣泛的應(yīng)用,并能完成許多其他飛行器所無(wú)法執(zhí)行的任務(wù).劍橋大學(xué)、加州大學(xué)、東京大學(xué)等都在進(jìn)行這方面的研究工作。但是,目前的研究主要集中在昆蟲飛行機(jī)理和微型飛行機(jī)器人的制作方面,而有關(guān)微型仿昆飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方面的研究還較少,只有加州大學(xué)的SCHENATO等人在對(duì)昆蟲仿真研究時(shí),對(duì)其身體的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析,建立了基于昆蟲身體的動(dòng)力學(xué)模型。EIIINGTON等通過(guò)對(duì)飛蛾動(dòng)態(tài)比例模型的研究,針對(duì)飛蛾以大迎角飛行不失速的特點(diǎn),提出了翅膀平動(dòng)時(shí)的/延時(shí)失速0(delayedstal1)機(jī)理,認(rèn)為由于翅膀平動(dòng)時(shí)在翅背面產(chǎn)生較強(qiáng)的前緣附著渦(LEV),使翅膀產(chǎn)生

15、了較大的升力。DICKINSON等通過(guò)對(duì)果蠅比例動(dòng)態(tài)模型的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)在翅上拍和下拍周期的開始階段,有較大的沖力,考慮到翅在上拍和下拍轉(zhuǎn)換時(shí)有一翻轉(zhuǎn)動(dòng)作,再結(jié)合了EIIINGTON的/延時(shí)失速0機(jī)理。1.7各類仿生機(jī)器人性能比較仿生機(jī)器人的種類繁多,類型各異,靈活多樣。下面的表1對(duì)幾類主要的地面仿生機(jī)器人的性能進(jìn)行了比較。 2仿生機(jī)器人的發(fā)展 2.1仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)的智能化 仿生機(jī)器人從傳統(tǒng)的純機(jī)械式機(jī)器人逐漸轉(zhuǎn)向智能機(jī)器人,動(dòng)作更加人性化,外形更加真實(shí)化。從一般的單一動(dòng)作,變得更加多樣化,融入了多學(xué)科的知識(shí)。仿生機(jī)器人的智能化使其能更安全、更完美的完成任務(wù),可以根據(jù)環(huán)境變化而改變,

16、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,來(lái)完成任務(wù)。 2.2仿生機(jī)器人的協(xié)作化 機(jī)器人的運(yùn)作不再是單一的一個(gè)機(jī)器來(lái)工作,而是需要多個(gè)機(jī)器人的合作來(lái)完成任務(wù)。各機(jī)器人之間必須互相幫助、互相通信來(lái)協(xié)作工作。多機(jī)器人的協(xié)作控制研究是當(dāng)今一個(gè)活躍且具有挑戰(zhàn)性的課題。然而由于諸多客觀條件的局限所帶來(lái)的矛盾,使得更多的研究不得不先借助于仿真的手段來(lái)完成。隨著多機(jī)器人研究的深入,多機(jī)器人仿真系統(tǒng)也有了較大發(fā)展。 2.3仿生機(jī)器人的多功能性 除了上述仿生機(jī)器人外,還有許多機(jī)器人種類,例如蠕動(dòng)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、拱泥機(jī)器人等等,都是根據(jù)具體情況來(lái)設(shè)計(jì)的,其運(yùn)動(dòng)方式可以多樣化,在航空、陸地和水下均可應(yīng)用,

17、外觀也可根據(jù)具體的工作方式來(lái)改變。 3結(jié)束語(yǔ) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)階段能源的嚴(yán)重缺乏,人類都在盡力開發(fā)各式各樣的新能源。人類對(duì)一些未知環(huán)境的探測(cè)以及工程探險(xiǎn)勘測(cè)、反恐防爆、軍事偵察等人類無(wú)法完成的或危險(xiǎn)的工作,增加了人類勞動(dòng)的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性。用機(jī)器人來(lái)代替人類完成這些工作成了迫切需要。機(jī)器人可以作為危險(xiǎn)地帶的探險(xiǎn)工具也可以去那些人類自身不能到達(dá)的地方。但是,現(xiàn)階段關(guān)于仿生機(jī)器人的研究還存在許多缺陷,結(jié)構(gòu)還不構(gòu)完善,例如飛行機(jī)器人目前的研究主要集中在昆蟲飛行機(jī)理和微型飛行機(jī)器人的制作方面,而有關(guān)微型仿昆飛行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方面的研究較少。仿生機(jī)器人作為機(jī)器人家族中的重要成員,具有高度靈活性和

18、柔性,還具有高度的易復(fù)制性,這就決定了仿生機(jī)器人必將成為21世紀(jì)機(jī)器人研究的熱點(diǎn),仿生機(jī)器人也將經(jīng)歷更高的發(fā)展階段。 參考文獻(xiàn): [1]GarthJZeglin.Uniroo:Aoneleggeddynmichoppingrobot[D].Massachusetts:MassachusettsInstituteofTechnoloy,1991. [2]HyonSH,MitaT.DevelopmentofabiologicallyinspiredhoppingrobotKenken[C]//ProceedingsoftheIEEEIn

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