仿生机器人的研究综述

仿生机器人的研究综述华明亚（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：在人类认识世界和改造世界的过程中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如星球探测、深海探测、减灾救援和反恐活动等，而仿生机器人为解决上述问题提供了一条有效途径。随着机器人技术和仿生学的发展，仿生机器人的研究正受到学者们的普遍关注。在对仿生机器人进行分类的基础上，从地面仿生机器人、水下仿生机器人以及空中仿生机器人3个方而简要介绍了国内外典型仿生机器人的研究进展，并介绍其发展趋势。关键词：仿生机器人；机器人运动；发展趋势；ResearchreviewonbionicrobotHuaMingya(Schoolofmechanicalengineeringandautomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract::Inthehumanunderstandingandtransformingtheworldintheprocess,theexistenceofhumanbeingscannotreachtheplaceandspecialoccasionsmayendangerhumanlife,suchasplanetaryexploration,deepseaexploration,disasterreliefandantiterroristactivities,andbionicrobotprovidesaneffectivewayforsolvingtheaboveproblems.Withthedevelopmentofrobottechnologyandbionic,bionicrobotresearchhasreceivedwideattentionofscholars.Intheclassificationbasedonbionicrobot,bionicrobot,bionicrobotfromairgroundbionicrobot,underwater3partyandbrieflyintroducedtheresearchprogressoftypicalbionicrobotathomeandabroad,andintroducesitsdevelopmenttrend.Keywords:Bionicrobot;robotmovement;developmenttrend;1机器人的研究现状1.1机器人国外研究现状由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助，所以，自80年代中期以来，机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。自1983年以来，美国RoboticsResearchCorporation以拟人臂组合化为设想，基于系列关节研制出K-1607等系列7自由度拟人单臂和K/B2017双臂一体机器人，其单臂K/B2017已用于空间站实验。1986年美国Utah大学工程设计中心研制成功了著名的UTAH/MIT灵巧手，该手有四指，拇指两关节，其余三指各有三关节，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，并模拟人手拿、夹、抓、握物体多种动作进行了实验。美国CED,Sarcos研究公司，贝尔实验室和能源部等联合开发了具有手的仿人臂，并推出了新型灵巧遥控操作系统DTS.其中的灵巧臂(DA)是液式10自由度手臂(包括三自由度的手).。1995年Bologna大学在PUMA机器人基础上设计研制成有三指灵巧手的仿人臂系统。1999年日本研制的宠物狗AIBOERS-110具有18个关节，每个关节由伺服电机驱动以保持柔性运动.CWRU的仿生机器人实验室研究了基于蟋蟀运动机能的机器人，其共有六条腿，后两条腿较长，有两个关节.各腿的运动通过压缩空气来驱动，它可以在一定的范围内行走和跳跃，能够适应粗糙地带和障碍。目前国外机器人正朝着智能化，高性能，微型化发展，并且一直走在科技的前沿，引领者机器人的发展。1.2机器人国内研究现状国内一些科研院所，如北航、北科大、国防科大、东南大学、沈阳自动化所和哈工大等进行了仿生机器人的研究.北航机器人研究所在国家X63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.沈阳自动化所研制开发的6000m水下自治机器人达到世界先进水平.哈工大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，可以完成平地前进、后退、侧行、转向和上下阶梯等步行功能。虽然在仿生机器人的研究中，美国和日本走在前列，此外加拿大、英国、瑞典、挪威、澳大利亚等国也都在这方面的技术研究中非常突出，但是我国的机器人技术经过一番奋勇直追，也逐渐拉近了和发达国家的水平。国内，哈尔滨工程大学机电工程学院的研究人员研制了一种两栖仿生机器蟹]1[，如图1所示。图1仿生机械蟹实验证明:仿生蟹能够按照双四足步态在平坦的地而上实现前进、后退、横行、左右转弯等动作，横行时最大运动速度约0.2m/s，前后行走时最大为0.1m/s，并可以跨越高30mm的障碍。在水中运动时，需将机器蟹整体放入根据其外形定制的柔性皮套内，即采用整体包裹的防水方式。2机器人的研究内容仿生机器人可以分为地面仿生机器人、水下仿生机器人以及空中仿生机器人。2.1地面仿生机器人地面仿生机器人有着广泛的应用，比如在考古，探索未知天体，恶劣环境作业等方面的应用有着不可或缺的地位，因此研究它们对于科研，医疗还有生活有着重要的意义。下面简单介绍两种地面机器人。仿生六足机器人在战场侦察、定点清除、危险环境下搜救以及狭小空间作业检测等领域中，爬行机器人发挥着关键作用。它容易实现稳定性爬行，受到广大研究者的青睐。六足机器人常见的结构有矩形六足机器人和六边形六足机器人。Chu和]2[Pang对轴对称本体六腿机器人和圆周对称本体六腿机器人进行比较，圆周对称六腿机器人从转向性能和稳定裕度等方面都有更好的性能。北京航空航天大学丁希仑课题组]43[主要针对圆周对称分布的六腿步行机器人步态及稳定性进行分析，其只能在平面内爬行，且控制方法考虑欠缺。哈工大]5[设计出一款可以在崎岖地形中行走的六足步行机器人，该机器人采用ARM与FPGA多层次控制结构，具有负载能力，通过仿真实验验证了其可行性。设计了一种结构简单，可实现在壁面上全方位运动的六足爬壁机器人(图2)，机器人净重141g。机器人整体结构采用圆周对称结构设计，机器人主要由上、下机体两部分组成。为了简化机器人的结构，我们仿照尺镬的运动方式，上、下图2机器人三维CAD模型与实物图机体之间通过曲柄滑块结构连接，由一个电机驱动曲柄往复运动，实现上下机体之间线性相对运动，从而机器人可以前进后退运动;同时上、下机体之间具有一个转动自由度，可实现灵活的转向运动，这是机器人实现在壁面上的全方位运。美国宇航局(NASA)喷气推进实验室2002年12月研制成功的机器蜘蛛Spider-pot，如图3所示，装有一对可以用来探测障碍的天线，拥有异常灵活的腿，能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动前进的机器人无法抵达的区域。凭借娇小的身材，该机器蜘蛛非常适合勘探彗星、小行星等小型天体。在国际空间站上可以充当维护员，及时发现空气泄漏等故障]6[。2.2空中仿生机器人机械苍蝇可作为救援机器人或间谍飞行器。机器苍蝇的体重只有六十毫克，翼展也仅仅有三厘米，它是典型的仿生学产品，其飞行运动原理和真的苍蝇非常相似。美国加州大学伯克利分校研制出机器苍蝇，如图4所示，目的是利用仿生原理获得苍蝇的杰出的飞行性能。机器苍蝇有普通苍蝇大小，有4只翅膀，只有1个玻璃眼睛，质量约43mg，直径5一10mm，与真苍蝇差不多，身体用像纸一样薄的不锈钢制成，翅膀用聚酷树脂做成。由太阳能电池驱动，1个微型压电石英驱动器以180次/s的频率扇动它的4只小翅膀。由于体型小，苍蝇周围气流的粘性比鸟类或者机翼固定的飞机更大。对昆虫来说飞行就像是踩水一样。苍蝇翅膀运动产生的空气动力可以在千分之一秒内改变激烈程度。相反，传统的机翼却受制于平稳的气体流动。正是因为这个差异，预测飞机性能的分析工具对于动态飞行昆虫效果甚微，这也使得研制机械苍蝇的工作愈发的困难重重。研究工作者依次解决了机器苍蝇设计中扭曲和拍打，材料，控制和低功耗等难题，最终研制出应用于实际的机器苍蝇。图3机器蜘蛛昆虫机(Entomopter)(图5)是由美国乔治亚理工研究院、英国剑桥大学和ETS实验室合作研制的类似飞峨的机器人]7[，质量50g，能够装载0.1N有效载荷。动力装置是一种基于往复式化学肌肉(ReeiproeatingChemiealMusele}RCM)的可再生装置，通过直接的非燃烧式反应把化学能变为动能。机冀的扑动是自主的(自然而然或非受控的)和匀称的(恒频和等辐的)，上下挥动都产生升力，可以使昆虫机悬停飞行。2.3水下仿生机器人随着无人地而战车、无人飞机和无人舰艇等逐渐在战场上显示出越来越高的作战效能，无人化作战平台将在未来现代化战争中发挥重要的作用。无人潜航器(UnmannedUnderwaterVehicles,UUV)是无人平台的一个重要发展方向。美国战略与预算评估中心的高级分析家罗伯特·沃克认为，未来美军对制海权的掌握，将是通过无人水下潜航器，而非传统认为的静音潜艇。可见无人潜航器在未来海战中的重大意义越来越得到军事专家的认可。加快发展无人潜航器，占据战略制高点，对于取得未来战争局部优势至关重要。UUV是一种能下潜的无人自主航行系统，由载体结构、控制系统、导航系统、能源系统和推进系统等系统和设备组成]8[。国外比较有代表性的水下机器人当属美国的伍兹霍尔海洋研究所历时9年设计研制的深海无人潜器Nereus，长约4m，宽约2.5m,空气中重约2.812345678吨。其最大潜深为11000m，航速3节，续航时间为20小时。它具有一种混合式操控系统，集两种操作模式于一身，既可以自主地进行海洋探测任务，也可以通过遥控来完成工作。该潜水器于2009年5月31日下潜至西太平洋的马里亚纳海沟，潜深达到了10902m。如图6所示：图4机器苍蝇图5昆虫机机器人我国的水下机器人的研究工作在历史上发展较慢，二十世纪六十年代中期对水下机器人进行了探索性研究，70年代研制了拖曳式潜水器。从20世纪70年代末到80年代初，随着工业机器人技术的发展，以及海上救助打捞和海洋石油开采的需要，我国也开始了水下机器人的研制与应用工作。上海交通大学和中国科学院联合研制了我国第一艘无人遥控潜水器“HR-O1”号。中科院沈阳自动化所等单位研制了“CR-O1”和“CR-02”型潜深6000m、航程小于50公里的无人无缆水下机器人。哈尔滨工程大学水下机器人国防科技重点实验室研制的多种自主式智能水下机器人系列等.如“仿生”系列(图7),“微龙”系列(图11)水下机器人。其中“仿生一I”总长2.4m，最大直径0.62m,潜深10m，负载能力60kg，仿金枪鱼推进，配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍。“微龙一I”总长0.95m,排水量76kg。躯体为扁圆截而，长方形外壳，非水密部分为玻璃钢材质，内置双圆柱铝合金水密耐压壳体。躯体的长宽比为2:1，采用可充电铿离子电池为能源，安装有左右布置的两个主推进器、可调攻角水图6水下机器人图7仿生UUV平舵和垂直稳定翼，组成航行和操纵执行系统，配备的传感器有水下TV、探测声纳、超短基线水声定位系统、磁罗经、深度计等。3机器人的发展趋势3.1向智能型发展增加水下机器人行为的智能水平一直是各国科学家的努力目标。但是由于目前的人工智能技术不能满足水下机器人智能增长的需要，因此需要将人的智力引入到水下机器人中来，这就是监控型水下机器人的思想。不完全依赖于机器的智能，更多地依赖传感器和人的智能，是今后的一个重要发展方向，并且把这种机器人