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仿生機(jī)器人分為哪幾類(lèi)_仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀

仿生機(jī)器人分為哪幾類(lèi)按照使用環(huán)境的不同，又可以將機(jī)器人分為水下仿生機(jī)器人，空中仿生機(jī)器人和地面仿生機(jī)器人。水下仿生機(jī)器人是指模仿魚(yú)類(lèi)或者是其它水生生物的一些特性研制出的新型高速、低噪音、機(jī)動(dòng)靈活的柔體潛水器，這些仿魚(yú)推進(jìn)器的效率可以達(dá)到70%到90%。比如說(shuō)機(jī)器魚(yú)、機(jī)器蟹等等。由于單個(gè)水下仿生機(jī)器人的活動(dòng)范圍和能力有限，所以具有高機(jī)動(dòng)性、高靈活性、高效率、高協(xié)作性的群體仿生水下機(jī)器人系統(tǒng)將是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。空中仿生機(jī)器人是具有自主導(dǎo)航能力、無(wú)人駕駛的飛行器?？罩袡C(jī)器人具有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。比如說(shuō)它們的活動(dòng)空間比較廣闊，運(yùn)動(dòng)速度也很快，它們?cè)诳罩酗w行可以不受地形的影響等等。這一類(lèi)的機(jī)器人的應(yīng)用前景是非常好的，特別是在軍事上的應(yīng)用。地面仿生機(jī)器人根據(jù)他行走方式的不同可以分為跳躍式的機(jī)器人、輪式機(jī)器人、足式機(jī)器人以及爬行類(lèi)機(jī)器人等。比如說(shuō)有早稻田大學(xué)的“WABIAN”，Raibert和Zeglin共同研制的Uniroo以及Hyon研制的Kenken已經(jīng)能夠成功跳躍，還有蛇形機(jī)器人或者是仿壁虎機(jī)器人等等。在仿生機(jī)器人中人們相當(dāng)重視的還有就是類(lèi)人機(jī)器人的研究和發(fā)展。類(lèi)人機(jī)器人的最大特征就是能夠用雙足行走，雙腿直立行走是人類(lèi)特有的步行方式。類(lèi)人機(jī)器人主要是外形的仿人、類(lèi)人行走和完成抓取等基本操作功能，它集成了多門(mén)學(xué)科知識(shí)和多項(xiàng)高新科技，代表了機(jī)器人的尖端技術(shù)。類(lèi)人機(jī)器人適應(yīng)環(huán)境的能力比較強(qiáng)，能耗比較小，而且與人協(xié)同工作起來(lái)也比較的容易，但是正是由于受到它自身的特點(diǎn)的制約，類(lèi)人機(jī)器人的研究還有很長(zhǎng)的一段研究之路組要走。類(lèi)人機(jī)器人的研究涉及到了很多方面，比如說(shuō)機(jī)構(gòu)學(xué)，材料學(xué)，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)等等。仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀仿生機(jī)器人的出現(xiàn)很好地體現(xiàn)了仿生應(yīng)用的理念。如圖1所示，人類(lèi)最早進(jìn)行了陸面仿生機(jī)器人的探索，如中國(guó)三國(guó)時(shí)期的木牛流馬以及1893年由Rygg設(shè)計(jì)的機(jī)械馬；其次，進(jìn)行了空中仿生機(jī)器人探索，最早模仿鳥(niǎo)類(lèi)的飛行進(jìn)行撲翼飛行器設(shè)計(jì)，1485年達(dá)芬奇設(shè)計(jì)的撲翼飛機(jī)圖紙是世界上第一個(gè)按照技術(shù)規(guī)程進(jìn)行的設(shè)計(jì)；最后，是水下仿生機(jī)器人的探索。縱觀仿生機(jī)器人發(fā)展歷程，到現(xiàn)在為止經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段是原始探索時(shí)期，該階段主要是生物原型的原始模仿，如原始的飛行器，模擬鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀撲動(dòng)，該階段主要靠人力驅(qū)動(dòng)。至20世紀(jì)中后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)以及驅(qū)動(dòng)裝置的革新，仿生機(jī)器人進(jìn)入到第二個(gè)階段，宏觀仿形與運(yùn)動(dòng)仿生階段。該階段主要是利用機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)諸如行走、跳躍、飛行等生物功能，并實(shí)現(xiàn)了一定程度的人為控制。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著人類(lèi)對(duì)生物系統(tǒng)功能特征、形成機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人進(jìn)入了第三個(gè)階段，機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)始與生物性能進(jìn)行部分融合，如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿生材料的融合以及仿生驅(qū)動(dòng)的運(yùn)用。當(dāng)前，隨著生物機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入、智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人正向第四個(gè)階段發(fā)展，即結(jié)構(gòu)與生物特性一體化的類(lèi)生命系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)仿生機(jī)器人不僅具有生物的形態(tài)特征和運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)具備生物的自我感知、自我控制等性能特性，更接近生物原型。如隨著人類(lèi)對(duì)人腦以及神經(jīng)系統(tǒng)研究的深入，仿生腦和神經(jīng)系統(tǒng)控制成為了該領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的前沿方向。我國(guó)仿生研究起步較晚，近30年來(lái)在NSFC的大力資助下，經(jīng)歷了跟蹤國(guó)外研究、模仿國(guó)外成果到局部領(lǐng)域齊頭并進(jìn)三個(gè)階段。如北京航空航天大學(xué)孫茂教授利用Navier-Stokes方程數(shù)值解和渦動(dòng)力學(xué)理論研究了模型昆蟲(chóng)翼作非定常運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)力特性，解釋了昆蟲(chóng)產(chǎn)生高升力的機(jī)理，為微型仿生撲翼飛行器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，在國(guó)際昆蟲(chóng)撲翼飛行機(jī)理研究方面占有一席之地。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏教授研制的類(lèi)人五指靈巧手，能靈活運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行物品的抓取，技術(shù)指標(biāo)與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)。今天，仿生機(jī)器人種類(lèi)繁多，本文主要針對(duì)陸面仿生機(jī)器人、空中仿生機(jī)器人、水下仿生機(jī)器人領(lǐng)域中的部分典型研究工作進(jìn)行介紹與分析。陸面仿生機(jī)器人在自然界中，陸面生物的運(yùn)動(dòng)方式多種多樣，有雙足運(yùn)動(dòng)方式，如人類(lèi)；有多足爬行方式，如狗、壁虎等；有無(wú)足移動(dòng)方式，如蛇類(lèi)；有跳躍方式，如袋鼠、青蛙、蝗蟲(chóng)等。研究人員從這些生物的組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等方面得到啟發(fā)，進(jìn)行了陸面仿生機(jī)器人的研究。主要有仿人機(jī)器人、仿生多足移動(dòng)機(jī)器人、仿生蛇形機(jī)器人和仿生跳躍機(jī)器人等。仿人機(jī)器人仿人機(jī)器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移動(dòng)、感知、操作、學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、情感交流等功能的智能機(jī)器人，可以適應(yīng)人類(lèi)的生活和工作環(huán)境。這是一個(gè)融合機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、傳感及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多門(mén)學(xué)科的高難度研究方向，是各類(lèi)新型控制理論和工程技術(shù)的研究平臺(tái)，也是目前仿生機(jī)器人技術(shù)研究中具有挑戰(zhàn)性的難題之一。仿人機(jī)器人的研究可以推動(dòng)仿生學(xué)、人工智能學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義。，仿人機(jī)器人經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，從最初的單元功能實(shí)現(xiàn)，僅模仿人進(jìn)行簡(jiǎn)單行走，發(fā)展到能初步感知外界環(huán)境的低智能化，再到現(xiàn)在集成視覺(jué)、觸覺(jué)等多項(xiàng)技術(shù)并能根據(jù)外界環(huán)境變化作出自身調(diào)整，完成多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)的擬人化、高智能化系統(tǒng)。仿人機(jī)器人的研制開(kāi)始于20世紀(jì)60年代末的雙足步行機(jī)器人。日本早稻田大學(xué)首先展開(kāi)了該方面的研究工作，其研制的WAP、WL以及WABOT系列機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)基本行走功能。在此期間，日本、美國(guó)、歐盟、韓國(guó)等國(guó)家的多家機(jī)構(gòu)均進(jìn)行了仿人形機(jī)器人的研究探索工作，并取得了許多突破性的成果，如美籍華人鄭元芳博士1986年研制出了美國(guó)第一臺(tái)雙足步行機(jī)器人SD-1以及其改進(jìn)版SD-2。該階段主要還是側(cè)重實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能，并能實(shí)現(xiàn)一定程度的控制。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著傳感以及智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿人機(jī)器人具有一定的感知系統(tǒng)，能獲取外界環(huán)境的簡(jiǎn)單信息，可做出簡(jiǎn)單的判斷并相應(yīng)調(diào)整自己的動(dòng)作，使得運(yùn)動(dòng)更加連續(xù)流暢。如本田公司于2000年研發(fā)的仿人形機(jī)器人“ASMIO2000”不僅具有人的外觀，還可以事先預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作并提前改變重心，因此轉(zhuǎn)彎時(shí)的步行動(dòng)作連續(xù)流暢，行走自如，是第一個(gè)具有世界影響力的仿人形機(jī)器人。索尼公司2003年推出的“QRIO”機(jī)器人首次實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人的跑動(dòng)。其后，法國(guó)的“BIP2000”機(jī)器人、索尼公司的“SDR”系列機(jī)器人、日本JVC公司研制的“4”機(jī)器人、韓國(guó)的“HUBO”機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了諸如站立、上下樓梯、跑步、做操等復(fù)雜動(dòng)作。隨著控制理論的發(fā)展與控制技術(shù)的進(jìn)步，仿人機(jī)器人智能性更強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作更復(fù)雜，運(yùn)行更穩(wěn)定，且能根據(jù)環(huán)境的改變和它自身的判斷結(jié)果自動(dòng)確定與之相適應(yīng)的動(dòng)作。如本田2011年發(fā)布的“ASIMO2011”機(jī)器人，綜合了視覺(jué)和觸覺(jué)的物體識(shí)別技術(shù)，可進(jìn)行細(xì)致作業(yè)，如拿起瓶子擰開(kāi)瓶蓋，將瓶中液體注入柔軟紙杯等，還能依據(jù)人類(lèi)的聲音、手勢(shì)等指令，來(lái)從事相應(yīng)動(dòng)作，此外，還具備了基本的記憶與辨識(shí)能力。2013年美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的“ATLAS”機(jī)器人是當(dāng)前仿人形機(jī)器人的一個(gè)代表，除了具有人形外觀，還具備了人類(lèi)簡(jiǎn)單的識(shí)別、判斷以及決策功能，是一款具有較高智能化的類(lèi)人機(jī)器人。該機(jī)器人能在傳送帶上大步前進(jìn)，躲開(kāi)傳送帶上突然出現(xiàn)的木板，能從高處跳下穩(wěn)穩(wěn)落地，能兩腿分開(kāi)從陷阱兩邊走過(guò)，能單腿站立，被從側(cè)面而來(lái)的球重撞而不倒。該公司開(kāi)發(fā)的另一款用于美軍檢驗(yàn)防護(hù)服性能的軍用機(jī)器人“Petman”，除了具有較高靈活度外，還能調(diào)控自身的體溫、濕度和排汗量來(lái)模擬人類(lèi)生理學(xué)中的自我保護(hù)功能，已經(jīng)一定程度上具有了人類(lèi)的生理特性。仿人機(jī)器人另一個(gè)研究方向就是仿人手臂和靈巧手指的研究。從最初的外觀仿形并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)階段發(fā)展到現(xiàn)在集運(yùn)動(dòng)感知于一體，并能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人手諸如抓取等細(xì)微操作的機(jī)電系統(tǒng)。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)TOMOVIC等于1962年針對(duì)傷寒病患者設(shè)計(jì)的“Belgrade”被認(rèn)為是世界上最早靈巧手，只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單動(dòng)作。SALISBURY等于1982年設(shè)計(jì)的“Stanford/JPL”仿人手首次完整引入了位置、觸覺(jué)、力等傳感功能，開(kāi)創(chuàng)了多指手實(shí)際抓取操作的先河，是當(dāng)時(shí)乃至現(xiàn)在都很具有代表性的機(jī)械手。此后，機(jī)械手朝著更加靈活，更加智能的方向發(fā)展。2010年德國(guó)宇航中心DLR研制的手-臂聯(lián)合系統(tǒng)“Hasy”機(jī)械手臂，總共具有21個(gè)自由度，是第一個(gè)采用仿生學(xué)關(guān)節(jié)進(jìn)行手指設(shè)計(jì)的多指靈巧手，手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模仿人手進(jìn)行面接觸滑動(dòng)而不是單純的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)特性與人類(lèi)手指更加接近國(guó)內(nèi)仿人形機(jī)器人研究起步較晚，2000年國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“先行者”是我國(guó)第一臺(tái)仿人形機(jī)器人。其后，北京理工大學(xué)于2002年研制的仿人機(jī)器人“BHR”，突破了系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)外接電纜的行走，可在未知地面上穩(wěn)定行走且能實(shí)現(xiàn)太極拳表演等復(fù)雜動(dòng)作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的“HIT”系列雙足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了靜步態(tài)和動(dòng)步態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。清華大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的仿人機(jī)器人“THBIP”采用獨(dú)特傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)纜連續(xù)穩(wěn)定地平地行走、連續(xù)上下臺(tái)階行走以及端水、太極拳和點(diǎn)頭等動(dòng)作。北京理工大學(xué)2011年研制成功的“匯童5”仿人機(jī)器人，代表了我國(guó)現(xiàn)階段仿人機(jī)器人的最高水平，具有視覺(jué)、語(yǔ)音對(duì)話、力覺(jué)、平衡覺(jué)等功能，突破了基于高速視覺(jué)的靈巧動(dòng)作控制、全身協(xié)調(diào)自主反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，成為具有“高超”運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人健將，此外，浙江大學(xué)也進(jìn)行了仿人機(jī)器人的研制，通過(guò)軌跡預(yù)判的方法提高了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜情況的處理能力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人打乒乓球的運(yùn)動(dòng)。在仿人手臂與靈巧手指方面的研究，北京航空航天大學(xué)的研究開(kāi)展較早，1993研制成功了我國(guó)第一只三指手“BUAA-I”，其隨后改進(jìn)版本“BUAA-II”型和“BUAA-III”型三指手相繼問(wèn)世。上海交通大學(xué)從2005年開(kāi)始進(jìn)行基于腦電的機(jī)械手臂操作研究，著重研究如何提高假肢手的操作功能和操作靈巧性，開(kāi)發(fā)功能更先進(jìn)的生物/機(jī)械系統(tǒng)接口，在此基礎(chǔ)上研制了具有“仿人手”功能的新一代假肢手。哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德國(guó)DLR聯(lián)合研制的類(lèi)人五指靈巧手“HIT/DLRHand”，具有多感知能力，運(yùn)動(dòng)靈活，抓取過(guò)程仿人化，能夠完成正向捏取、三指捏取、柱狀抓取等人手大部分抓取功能。目前仿人機(jī)器人研究已在諸如關(guān)鍵機(jī)械單元、整體運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)視覺(jué)等多方面取得了突破，但是與人運(yùn)動(dòng)的靈巧性和控制的自主性相比還相差很遠(yuǎn)。仿人機(jī)器人的最終發(fā)展目標(biāo)不僅是外形及運(yùn)動(dòng)方式模仿人，而且思維方式和行為方式也接近人，能夠通過(guò)與環(huán)境的交互不斷獲取新的知識(shí)，能自主完成各種任務(wù)，還能自己適應(yīng)結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境。仿生多足移動(dòng)機(jī)器人仿生多足移動(dòng)機(jī)器人的靈感來(lái)源于自然界的爬行生物。研究人員從狗、壁虎、螃蟹、蟑螂等爬行生物上獲得靈感，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模仿設(shè)計(jì)。因其具有良好的地形適應(yīng)能力，近20年來(lái)一直是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域，受到世界各研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。經(jīng)過(guò)幾十年的探索，仿生多足移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)與控制均得到較大發(fā)展，從單一模仿生物移動(dòng)發(fā)展到具有智能控制和良好的環(huán)境感知能力，更接近生物原型的移動(dòng)機(jī)器人。20世紀(jì)60年代中期，通用電器公司研制了四腿式步行機(jī)器人“Mosher”，采用了由人控制的方法模擬四腿生物行走，是仿生多足移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。此后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，能自主控制移動(dòng)的機(jī)器人相繼出現(xiàn)。如日本東京工業(yè)大學(xué)研制的“TITAN”系列四足步行機(jī)器人，具有多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，可在傾斜的樓梯上行走。美國(guó)波士頓動(dòng)力公司2008年仿大狗研制的“Bigdog”機(jī)器人是多足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的代表，具有環(huán)境感知和良好的適應(yīng)能力，平衡性良好，即使側(cè)面被物體沖擊，也能很快地通過(guò)調(diào)整步態(tài)恢復(fù)平衡狀態(tài)。可以爬山坡、過(guò)雪地、走石子路，上下樓梯，在光滑的冰上行走，甚至能跳躍跨過(guò)單杠，可用于軍方運(yùn)輸。該公司2013年最新研制的“獵豹”機(jī)器人能夠沖刺，急轉(zhuǎn)彎，并能突然急剎停止，與生物原型運(yùn)動(dòng)較接近。它的奔跑速度最高可達(dá)到46km/h，是目前運(yùn)動(dòng)速度最快的仿生多足移動(dòng)機(jī)器人。還有學(xué)者基于昆蟲(chóng)的爬行運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行仿生多足機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)研制的仿蟋蟀爬行機(jī)器人，是仿生昆蟲(chóng)機(jī)器人中的一個(gè)代表，可以在一定的范圍內(nèi)行走和跳躍，能夠適應(yīng)粗糙地帶，能靈活地進(jìn)行跑動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、避障等。加拿大麥吉爾大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等機(jī)構(gòu)在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的資助下，研制了“RHex”系列腿式機(jī)器人，擁有六條半弧的“彈力腿”，能夠輕松實(shí)現(xiàn)快速行駛、跳躍、騰空翻轉(zhuǎn)和攀爬等動(dòng)作。研究人員還從壁虎能在垂直墻面上行走獲得啟發(fā)研制爬壁機(jī)器人。責(zé)任編輯：YYX 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