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-1-中学生机器人竞赛培训教材（仿生机器人）句容市行香中学电脑制作社团-2-摘要：伴随着机器人技术、仿生技术、控制技术以及制造技术的进步，机器人应用领域的不断拓展。而机器人工作环境和工作任务的复杂化,对机器人工作的灵活性、可靠性、准确性、稳定性和适应性提出了更严格的要求，传统的机器人采用轮子或履带作为移动机构已然无法满足上述要求。仿生机器人由于其高度灵活性和柔性已受到机器人学者的广泛关注和研究。本文首先由仿生学相关概念引出仿生机器人，然后对仿生机器人的基本概念及其分类进行了概述。其次按照空中仿生机器人、陆地仿生机器人和水下仿生机器人的分类方法选择仿生机器人中典型代表进行介绍，归纳和阐述了各种类型仿生机器人的特点、研究成果以及国内外的研究状况。然后对仿生机器人发展过程中的关键技术问题进行了总结分析。最后对仿生机器人的发展趋势进行了展望。关键词：仿生机器人仿生学研究现状发展趋势1959年，第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。机器人的诞生和机器人学的建立及发展，是20世纪自动控制领域最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。近几十年，机器人技术和工业得到了前所未有的发展，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，机器人已从传统的制造业进入人类的各种活动领域。进入21世纪，军事作战、反恐防爆等领域大量需求无人作战武器，人类探索太空和建设航天站步伐的加快越来越依赖于智能探索机器人。自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物，生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。1960年,美国科学家SteelJE经过长期的观察研究，创立了仿生学。它是生物科学和工程技术相结合的一门边缘学科，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学在机器人科学中的应用，推动了机器人的适应能力向非结构化、未知的环境方向发展。科学家们向生物学习，创造出了众多高性能的仿生机器人。1、仿生机器人基本概念及其分类仿生机器人是指模仿自然界中生物的外部形状、运动原理或行为方式的系统，并且能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的研究是以机器人技术和仿生学的发展为基础，它的产生和存在的前提条件在于生物是经过了长期的自然选择进化而来的，在结构、功能执行、环境适应、信息处理、自主学习等诸多方面具有高度的合理性和科学性。人类通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物-3-特性和功能，制造出能够代替人类从事恶劣环境下工作的仿生机器人，从而极大地提高人类对自然的适应和改造能力，产生巨大的社会经济效益。仿生机器人作为机器人技术领域中的一个新兴的发展分支，是众多专家和学者的研究热点。对于仿生机器人的研究是多方面的，因此出现了功能、形状各异以及工作原理不同的仿生机器人，种类繁多。分类方法也不尽相同，按照仿生机器人模仿特性可划分为仿人类肢体和仿非人生物两大类；按照仿生机器人模仿的运动机理、感知机理、控制机理及能量代谢和材料组成的进行划分；按照仿生机器人的空间工作环境的不同又可划分空中仿生机器人、陆地仿生机器人和水下仿生机器人等。为便于理解和分析，本文按照第三中分类方法，具体描述各类型仿生机器人的国内外研究现状。2、仿生机器人国内外研究现状2.1空中仿生机器人空中飞行机器人即具有自主导航能力的无人驾驶飞行器。与其他类型的机器人相比较，由于空中飞行机器人活动空间广阔，不受地形限制，运动速度快等特点，在军事间谍、森林火灾预防以及灾难搜救等领域中具有广泛应用。空中机器人飞行原理一般可分为固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行三种。目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究，它是一种模仿鸟类或昆虫飞行的新型飞行器，在原理上不同于传统的飞机设计和气动力的研究范畴，其特点是将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，从而较少的能量可支持远距离飞行，这种类型的空中飞行机器人具备较强的机动性，在长时间无能源补给及远距离条件下，仍然能够执行任务。2.1.1机器蝙蝠图1所示为微型蝙蝠“MicroBat”，是最早的仿生物飞行方式的电动扑翼飞行器。首架原型机于1998年10月试飞成功，它由加州理工学院、AeroVironment和加州大学联合研制。微型蝙蝠机体骨架和机翼采用新型超强复合材料，机翼模仿蝙蝠和昆虫的翅膀，采用MEMS技术加工制作。配备微型电机和高能电池，通过一种轻型传动机构将微型电机的转动变换为扑翼的上下扑动。该飞行器己经-4-发展了4种不同的原理样机，飞行性能最好的是第4代样机。翼展为15.24cm，重量为10.5g，飞行时间为6min，飞行距离为46m，扑动频率为20Hz。采用扑翼飞行方式的独特优点是利用尾迹气流获取部分升力，因而大大节省了能量，提高了升力获取的效率，它在微小尺寸下能产生远大于固定翼和旋翼飞行方式所能产生的升力；但扑翼飞行机理和具体实现都较困难。2.1.2机器蝇美国加利福尼亚大学伯克利分校自1998年开始利用4年的时间基于仿生学原理设计研制了一种名为“机器苍蝇”的扑翼微型飞行器MFI，如图2所示。其身高不到30mm，翼展25mm，重量只有100mg。它具有4只翅膀和一个玻璃眼睛，身体使用像纸一样薄的不锈钢制成，翅膀用聚酯树脂做成，并由太阳能电池驱动，一个微型压电石英驱动器以每秒180次的频率振动4只翅膀。它可以模仿苍蝇的飞行特点，每个翅膀相对躯体可以实现两个方向的转动，转动的角度为140°和90°。若在机器苍蝇的头部安装微型传感器和摄像机，则可以将飞行过程中拍摄到的照片回传。机器苍蝇广泛应用于环境监测，废墟救援以及军事间谍等领域。图1加州理工学院的“MicroBat”图2美国加州大学伯克利分校的MFI随着微型飞行器研究的不断升温，除了上述主要由DARPA、NASA以及军方等资助进行微型飞行器技术研究的这些公司及科研院校外，美国的其他一些大学和研究机构也在积极开展各种各样微型飞行系统的技术研究。英国剑桥大学、日本东京大学等高校对空中仿生机器人也有深入的研究。国内上海交通大学等也在进行空中飞行器的相关研究，如西北工业大学正在研制的扑翼微飞行器，采用聚合物锂电池做电源，微型电动机做驱动源，碳纤维做骨架，采用柔性机翼，样机重约15g，制作的扑翼微飞行器可以在15-20hz左右的频率下拍动。-5-2.2陆地仿生机器人2.2.1仿人机器人仿人机器人是具有人的外形和运动方式的机器人。在仿人机器人领域，日本和美国的研究最为深入。日本方面侧重于外形仿真，美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。国内，清华大学、国防科技大学、北京理工大学等高校也开展了对仿人机器人的研究。世界上第一台仿人机器人是WABOT，于1973年在日本早稻田大学由加藤一郎研究室研制成功。作为加藤一郎实验室的延续，早稻田大学的高西淳夫研究室成功研制了仿人机器人Wabian。机器人Wabian身高1.5米，重60kg，全身有41个自由度(DOF)，身上装有六维力/力矩传感器，陀螺仪和加速度以及图像传感器，能够与人跳舞，搬运货物以及跟随人的运动。能够在高低不平的地面、倾斜的地面以及室外环境中行走，最大步行速度为2.6km/h。日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO，是目前世界上最先进的仿人行走机器人。ASIMO身高1.3米，体重54公斤，它的行走速度是0-6km/h。最新版ASIMO，除具备了行走功能与各种人类肢体动作之外，更具备了人工智慧，可以预先设定动作，还能依据人类的声音、手势等指令，来从事相应动作，此外，他还具备了基本的记忆与辨识能力。仿人机器人的研究还包括对局部人体关节仿生研究，包括美国研制的一系列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；美国犹他州大学工程设计中心研制成功的UTAHMIT灵巧手等。图3本田公司研制的仿人机器人ASIMO2.2.2蛇形机器人无肢运动是一种不同于传统的轮式、腿式或履带式行走的独特的运动方式。蛇形机器人的运动方式是典型的无肢运动。蛇形机器人是仿生机器人研究中很活-6-跃的一支，至今已有数十台蛇形机器人样机问世。这些样机能实现蜿蜒爬行、侧滑、翻滚、避障等二维平面运动，大部分已经具备抬头、爬台阶、翻越较低障碍等在三维空间中的运动能力。它们具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点。美国、日本、德国等国家都已经对蛇形机器人开展大量研究工作。日本东京科技大学于1973年研制出世界上第一个蛇形机器人。而美国对蛇形机器人的研究处于当今世界的领先水平。图4所示为美国宇航局研究的用于火星探测的高柔性、高冗余性蛇形机器人第三代模型。美国密歇根大学于2005年研制了名为OmniTread的蛇形机器人，如图5所示。OmniTread通过驱动轴实现节与节之间的连接，而连接处的风管通过充气或放气来促使某一节做出不同动作，通过协调每节的动作，OmniTread就能在障碍物上自由攀爬。OmniTread特点在于其表面覆盖着占总面积80%的履带，这能防止在粗糙地面上停顿，从而在复杂地形中持续前进。OmniTread能翻越两倍于自身高度的障碍物，跨过宽度相当于自身长度一半的空档，还能爬楼梯、钻管道及在竖直管道内向上攀爬。OmniTread通过将竖直的身体横向变形成支架架在管壁之间，电机驱动各节外壁附着的履带产生垂直方向的运动趋势，实现在竖直的管道内爬行。图6是OmniTread的控制系统。国内上海交通大学、中国科学院沈阳自动化所、国防科技大学等科研单位相继研制出了蛇形机器人样机。图所示为国防科技大学于2001年研制的蛇形机器人。这条长1.2m，直径0.06m，重1.8kg的机器蛇，能扭动身躯，在地上或草丛中婉蜒爬行，可前进、后退，拐弯和加速,最大前进速度可达每分钟20m，披上特制的“蛇皮”后还能像蛇一样在水中游泳。-7-图4火星探测蛇形机器人图5蛇形机器人OmniTread图6OmniTread的控制系统2.2.3机器蜘蛛图7所示为美国宇航局喷气推进实验室于2002年12月研制成功的机器蜘蛛Spider-pot。该机器蜘蛛上装有一对可以用来探测障碍的天线，且拥有异常灵活的腿。它们能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动前进的机器人无法抵达的区域。机器蜘蛛一类微型仿生机器人非常适合勘探彗星、小行星等小型天体。在国际空间站上它们可以充当维护员，及时发现空气泄漏等意外故障。美国哥伦比亚大学科学家已经成功研制出一种由DNA分子构成的“纳米蜘蛛”微型机器人，仅有4纳米的大小，如图8所示。它们能够跟随DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止，并且它们能够自由地在二维物体的表面行走，可行走100纳米的距离，相当于行走50步。-8-图7机器蜘蛛Spider-pot图8在二维物体表面行走的“纳米蜘蛛”机器人2.2.4机器蛙仿生跳跃机器人具备生物体结构和行为方式合理、灵活和高效的特征，其跳跃运动方式还能适应不同地表，实现跨越沟渠和障碍，具有活动范围广、躲避风险能力强的特点，展现了优异的移动能力，因此适合在非结构化、不可预测的环境里代替人类完成侦察、探测、救险和反恐等任务。美国宇航局喷气推进实验室为解决星际探索中漫游车活动范围有限的问题，先后研制了三种跳跃式机器人，都属于机械式、间歇性跳跃机构。NASA研制了一种蛙形跳跃机器人，如图9所示。机器人具有落地后主动翻转恢复功能，并配有微型摄像机及各种传感器用于采集外界信息。在压缩状态下其尺寸约为15cm×15cm×15cm，系统重量为1.3kg，跳跃高度可达1.2m，水平距离为2.3-3m，两次跳跃间隔调整时间约为1min。第二代跳跃机器人特点是在仅包含一台电机的较小体积内完成了间歇性跳跃的所有典型动作过程，即调整方向、起跳、落地恢复姿态等，并表现出较高的跳跃能力以及能量转化效率，缺点是起跳的角度不能调整。NASA研制的第三代跳跃机器人结构上保留了第二代中的主体部分，增加了两个滚轮以及调整离地角度的机构。另外系统集成的嵌入式控制器可进行复杂的在线计算与控制，可与外界进行无线通信，尽管机构跳跃能力没有多大提高，但其机动性以及执行任务的