仿生機器人現(xiàn)狀

1、仿生機器人現(xiàn)狀仿生學Bionics研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想及工作原理的科學。仿生學一詞 是1960年由美國JE斯蒂爾根據(jù)拉丁字“bios”（ “生命方式”的意思）和字尾“nic ” （“具有，的性質(zhì)”的意思）構(gòu)成的。他認為“仿生學是研究以模仿生物系統(tǒng)的方式、 或是以具有生物系統(tǒng)特征的方式、或是以類似于生物系統(tǒng)方式工作的系統(tǒng)的科學”。盡管人類 在文明進化中不斷從生物界受到新的啟示，但仿生學的誕生，一般以1960年全美第一屆仿生學討 論會的召開為標志。仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生，研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細結(jié)構(gòu)的靜力學性質(zhì)，以及生物體各組成 部分在體內(nèi)相對運動

2、和生物體在環(huán)境中運動的動力學性質(zhì)。例如，建筑上模 仿貝殼修造的 大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建 材承受最大的載荷。分子仿生，研究與模擬生物體中胞的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分 子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結(jié)構(gòu)后， 合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲。能量仿生，研究與模仿生物電器官、生物發(fā)光、肌肉直接把化學能轉(zhuǎn)換成機械能等生 物體中的能量轉(zhuǎn)換過程。信息與控制仿生，研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級中樞的智能活 動等方面生物體中的信息處理過程。例

3、如根據(jù)象鼻蟲視動反應(yīng)制成的“自相關(guān)測速儀”可測定飛機著陸速度。根據(jù)鱟復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理，研制成功可增強圖像輪 廓、提高反差、從而有助于模糊目標檢測的一些裝置。此外，它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài)， 運動控制、動物的定向與導(dǎo)航等生物系統(tǒng)中的控制機制，以及人-機系統(tǒng)的仿生學方面。某些文獻中，把分子仿生與能量仿生的部分內(nèi)容稱為化學仿生，而把信息和控制仿生 的部分內(nèi)容稱為神經(jīng)仿生。仿生學的范圍很廣，信息與控制仿生是一個主要領(lǐng)域。一方面由于自動化向智能控制發(fā)展的 需要，另一方面是由于生物科學已發(fā)展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經(jīng)科學最大的挑 戰(zhàn)。人工智能和智能機器人研究的仿生學方面一生物模式識

4、別的研究，大腦學習、記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協(xié)調(diào)問題等一是仿生學研究的主攻方面。控制與信息仿生和生物控制論關(guān)系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過程，都運用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構(gòu)造實用人造硬件系統(tǒng)；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術(shù)科學的理論出發(fā)，為生物行為尋求解釋。模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實現(xiàn)特定功能為中心目的。在仿生學研究中存在下列3個相關(guān)的方面：生物原型、數(shù)學模型和硬件模型。前者是基礎(chǔ)，后者是目的，而數(shù)學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，搞清生物系統(tǒng)的機制需要相當長

5、的研究周期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協(xié) 作，這是限制仿生學發(fā)展速度的主要原因。人工肌肉我們之所以能夠行動、舉起重物，靠的是肌肉與骨骼的協(xié)調(diào)運動。肌肉的最小單元是肌纖維，肌纖維由肌動蛋白和肌凝蛋白兩種蛋白質(zhì)交錯排列而成。十多年前，美國太空總署為了在外太空工作，計劃開發(fā)新型的機器手臂，來完成傳統(tǒng)油壓機器手臂無法做的精密動作。 藉由模仿人類手臂肌肉的動作，開發(fā)出多種材料，可以藉由電流的通過產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，這類的材料 稱為電致動聚合物。電致動聚合物的動作原理和肌肉收縮原理有些不同，隨著電位大小的變化，會產(chǎn)生不同程度的形狀改變。通電時，電致動聚合物內(nèi)部分子受到電位的影響，使分子排列從原本的結(jié)

6、構(gòu)變成偏往某一端聚集，整個外觀看起來，就像是整條電致動聚合 物如同肌纖維一樣彎曲、縮短或伸長。當電位的方向改變時，又會使電致動聚合物向另一個方向彎曲。電致動聚合物的這種特性，為其贏得了人工肌肉的稱號。人工肌肉可以應(yīng)用于機器手臂，由于聚合物的重量比金屬輕了許多，應(yīng)用于外太空可以大幅減 少載重。目前國外已經(jīng)成功利用電致動聚合物制造出機器手臂和機器臉，機器手臂已可做出如伸出某支手指這種精密的動作，未來可以開發(fā)出手術(shù)用的機械手臂，機器臉也有能力做 出像是眨眼或動嘴唇的膘情。電致動材料的發(fā)展與應(yīng)用目前尚處于初期的階段，現(xiàn)有的電致動聚合物仍有許多缺點等待克 服，如降低驅(qū)動電壓、增進機械強度、加大變形程度、

7、以及加快反應(yīng)速度等。除了上述機械手臂和機械臉的應(yīng)用外，電致動聚合物也被制成機器昆蟲或可以在水中游泳的機器魚。電致 動聚合物也可以用在醫(yī)療方面，例如量血壓用的壓脈帶，甚至用來替換受損傷的肌肉組織。當病 患的肌肉壞死無法動作時，醫(yī)療人員便可利用電致動聚合物植入患處，配合適當?shù)碾姶碳?，使殘?者可以重新活動，不需要再倚賴輪椅和拐杖了。藉由仿效自然法則，模擬感官接收、傳遞、運作的方法與機制，可以為人類帶來許多福祉。未來仿生科技結(jié)合奈痙材料及生物技術(shù)，可以制造人工視網(wǎng)膜、人工味蕾、人工神經(jīng)傳導(dǎo)系統(tǒng)等更復(fù)雜的人工感官系 統(tǒng)，必會對人類的生活提供更多的助益。i-Limb的新型仿生手據(jù)報導(dǎo)，這只堪稱“全球第一

8、手”的精良仿生手系由蘇格蘭觸摸仿生公司制造，其發(fā)明者是 英國國家衛(wèi)生體系蘇格蘭洛錫安區(qū)的復(fù)康部主管大衛(wèi)高醫(yī)生，目前已經(jīng)申請專利。高醫(yī)生潛心 研究義肢20年，9年前開始嘗試研制仿生手。他表示，這是當今市場上首只指頭可以像真手般活動的義肢。因此技術(shù)堪稱世界一流。由于其材料選用類似制造汽車引擎零件的輕量化塑膠制成， 完全防水，并且比真手還輕。Touch Bio nics仿生公司宣稱這是迄今能做出最細微動作的義肢。用戶只要輕輕動手臂肌肉便能操縱仿生機械手，手上5根指頭都可獨立運作，并通過患者的思維和肌肉來控制動作任 意做出打字、撥號碼、用鑰匙開鎖等復(fù)雜動作，宛如真手一般靈活自如。發(fā)明該仿生手的醫(yī)生表示

9、，這只仿生手是目前最先進的，這是市場上首只仿生手的手指頭能夠像真手般活動 的義肢?！?i-LIMB ”的每根手指都安裝有一個微型馬達，并且可由其穿戴者發(fā)出的神經(jīng)脈沖加以控 制。該仿生手憑手臂肌肉推動，其表面覆蓋有一層類比人類皮膚的半透明人工美容皮膚，逼真度極 高。只要裝上仿生手，貼在穿戴者手臂的電極會將信號傳送至微型馬達，推動仿生手做出各種動作。不過，就手的觸覺來說，這只仿生手目前只能做到利用小部份的感覺信號，經(jīng)由神經(jīng)系統(tǒng)傳達到大腦，所以還有相當大的發(fā)展空間。更讓人驚奇的是，這只生化電子手能和截肢者的身體完美的結(jié)合，造福傷殘人士。而在這項發(fā)明中，最令我們?nèi)杠S的是神經(jīng)末端和電子手部間的無線傳達，

10、為支援熱插拔(hot-swap )的嵌入性手臂開創(chuàng)了新契機。仿生手未推出前曾作臨床實驗，14名分別來自英國及美國的人裝上仿生手， 他們大都表示，仿生手遠比一般義肢好用。4.仿生機器人仿生機器人的基本概念仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀、運動原理和行為方式的系統(tǒng)，能從事生物特點 工作的機器人。仿生機器人的類型很多，主要為仿人、仿生物和生物機器人3大類。仿生機器人的主要特點：一是多為冗余自由度或超冗余自由度的機器人，機構(gòu)復(fù)雜；二是其驅(qū)動方 式有些不同于常規(guī)的關(guān)節(jié)型機器人，通常采用繩索、人造肌肉或形狀記憶合金等驅(qū)動。仿生機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀水下仿生機器人水下機器人由于其所處的特殊環(huán)境，在機

11、構(gòu)設(shè)計上比陸地機器人難度大。在水下深度控制、深水壓力、線路絕緣處理及防漏、驅(qū)動原理、周圍模糊環(huán)境的識別等諸多方面 的設(shè)計均需考慮。以往的水下機器人采用的都是魚雷狀的外形，用渦輪機驅(qū)動，具有堅硬的外殼以抵抗水壓。魚類的推進方式已成為人們研制新型高速、低噪音、機動靈活的柔體潛水器模仿的對象。仿魚推進器效率可達到70% 90%，與水的相對速度比螺旋槳推進器小得多，有效地解決了噪音問題水下機器魚和機器蟹的靈活性遠遠 高于現(xiàn)有的潛艇，幾乎可以達到水下任何區(qū)域，由人遙控，它可輕而易舉地進入海底深處的 海溝和洞穴，可用于測繪海洋地圖，檢測水下污染，拍攝海洋生物，也可以悄悄地溜進敵方 的港口，進行偵察而不被發(fā)

12、覺，作為軍用偵察和科學探索的工具，其發(fā)展和應(yīng)用的前景十分廣闊。空中仿生機器人空中機器人即具有自主導(dǎo)航能力，無人駕駛的飛行器。這類機器人活動空間廣闊、運動 速度快，居高臨下而不受地形限制，在軍事、森林火災(zāi)以及災(zāi)難搜救中，前景極好。其飛行 原理分為：固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行。目前國內(nèi)外廣泛關(guān)注的微型飛行器側(cè)重于撲 翼機的研究，它模仿鳥類或昆蟲的撲翼飛行原理，將舉升、懸停和推進功能集于一個撲翼 系統(tǒng)，可以用很小的能量做長距離飛行，同時具有較強的機動性，適合于長時間無能源補給 及遠距離條件下執(zhí)行任務(wù)。地面仿生機器人可以攀爬管道的蛇形機器人，這種蛇形機器人大部分由輕質(zhì)的鋁或塑料組成，最大也只 有成

13、人手臂大小，機器人配有攝像機和電子傳感器，可以接受遙控指揮。蛇 形機器人可以成 功上下一根塑料管道，并可以跨越廢墟碎片間的巨大空隙以及在草叢中來去自由，讓蛇形機 器人在坍塌廢墟中穿梭，能更快地找到幸存者，為災(zāi)難救援工作帶來了技術(shù)突破。仿人機器人自1983年以來，美國研制出一系列7自由度擬人單臂和雙臂一體機器人，并已用于 空間站實驗.1986年美國猶他州大學工程設(shè)計中心研制成功了著名的UTAHM IT靈巧手，該 手有4指，拇指2關(guān)節(jié)，其余3指各有3關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)繩索驅(qū)動并設(shè)有張力傳感器。 1990年由貝爾實驗室完成了靈巧手的軟硬件控制系統(tǒng)，并模擬 人手的拿、夾、抓、握物體 等多種動作進行了實驗.

14、1992年日本進行多指仿人手臂真實作業(yè)的研究，系統(tǒng)由主從手臂及 傳感控制系統(tǒng)組成，其靈巧手有4指，每指有3個關(guān)節(jié)，手具有14個自由度。隨著多指靈 巧手研究的發(fā)展，具有靈巧手的仿人臂及其系統(tǒng)的研究愈來愈受到重視。日本本田公司和大 阪大學聯(lián)合推出的P1、P2和P3型仿人步行機器人，將仿人機器人的研究推向一個嶄新的 度。在P3的基礎(chǔ)上本 田公司又研制了“ Asimo”智 能機器人，如圖6所示.“Asimo”機 器人高1.2m ,體重43kg，它可以爬樓梯，以6km /h的速度奔跑，可以識別各種各樣的聲 音，還能夠通過頭部照相機捕捉到的畫面和事先設(shè)計好的程序識別人類的各種手勢運動以及 10種不同的臉型

15、，可以和人手拉著手走路，使用手推車搬運物品等。國內(nèi)一些科研 院所也 進行了仿人機器人的研究。北京航空航天大學機器人研究所在國家863智能機器人主題支持下，研制出了能實現(xiàn)簡單抓持和操作作業(yè)的3指9自由度靈巧手。哈 爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制了高靈活性的仿人手臂及擬人雙足步行機器人，其仿人手臂具有工 作空間大、關(guān)節(jié)無奇異姿態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點，通過軟件控制可實現(xiàn)避障、回避關(guān)節(jié)極限和優(yōu)化動 力學性能等。雙足步行機器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有12個自由度，可以完成仿人步行的動作。仿生機器人的發(fā)展方向1. 仿生機器人結(jié)構(gòu)的微型化微型仿生機器人可用于小型管道進行檢測作業(yè)，可進入人體進行檢查和實施治而不傷 害人體

16、，也可以進入狹小的復(fù)雜環(huán)境進行作業(yè)等。仿生機器人微型化的關(guān)鍵是實現(xiàn)機電系 統(tǒng)的微型化，即將驅(qū)動器、傳動裝置、傳感器、控制器、電源等集成到一塊硅片上，構(gòu)成微 機電系統(tǒng)，才能實現(xiàn)機器人整體結(jié)構(gòu)的微型化。仿生機器人的相似性和多變性在軍事偵察和間諜任務(wù)中，如果仿生機器人的外形與所模仿的生物外形完全一致，將 能更隱蔽地、更安全地完成任務(wù).日本研制的變形機器人包括若干小機器人，小機器人 通過紅外傳感器和照相機識別周圍的障礙物，然后相互協(xié)調(diào)，按照不同需要組合成狗、蜘蛛 和蛇等7種形態(tài)，可以根據(jù)環(huán)境變化而改變自己的形狀。機器人的多變性使其能夠進入各 種人類難以接近的災(zāi)害現(xiàn)場實施調(diào)查，還有望應(yīng)用于航天探測等領(lǐng)域。仿人機器人的多功能性21世紀人類將進入老齡化社會，發(fā)展多功能仿人機器人將彌補年輕勞動力的嚴重不足， 解決老齡化社會的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會問題，并能開辟新的產(chǎn)業(yè)，創(chuàng)造新的就業(yè)機會。仿生機器人群仿生機器人群通常應(yīng)用在需要多機器人協(xié)作的場合，如機器人生產(chǎn)線、柔