仿生机器人的发展与应用研究

技术应用ｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　仿生机器人的发展与应用研究　◆崔新忠常诚缪新颖　（大连海洋大学信息工程学院，大连，ｌ１　６０２３）　摘要　随着机器人技术的迅速发展和仿生学的不断成熟，仿生机器人的研究受到越来越多学者的普遍关注。本文按照仿生　机器人在空间工作环境的不同，从陆地仿生机器人、空中仿生机器人和水下仿生机器人３个方面分别介绍了国内外仿　生机器人的研究现状，并对其未来发展进行了展望。　关键词：机器人，仿生学，空间，应用研究　０引言　人。下面就陆地、空中、水下３个方面对闻内外仿生机器　人的研究现状进行简单的介绍。　仿生学在机器人科学领域的应用，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。当代机器人的　研究领域已经从结构环境下的定点作业中走｝｛Ｉ来，向航天　１国内外仿生机器人的研究现状　１．１陆地仿生机器人　航空、星际探索、军事侦察、资源勘探、水下探测、管道　向发展。未来，机器人将　人类不能或难以到达的已知或　仿人机器人的研究始于２０世纪６０年代末，距今已有　人技术领域的主要研究方向之一。　１．１．１同外研究现状　维护、疾病检查、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方　４０多年的历史，其研究Ｔ作进展迅速，如今已成为机器　未知环境下为人类１　作，人们要求机器人不仅适应结构化　的、已知的环境，更要适应非结构化的、未知的环境。　美国麻省理］　大学人丁智能实验室开发的人形机器人　Ｃｏｇ主要作为研究机器人的头脑智能、认知和感知、手臂　的灵活性及柔顺性等的平台，同时也被作为探索人和人ｒ　仿生学除了传统的没汁理论与方法之外，人们也把目　光对准了丰富多彩的生物界。自然界存亿万年的演化过程　中孕育出各种各样的生物，生物体发展ｊｉ｛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。　智能等领域的一个平台。　Ｃｏｇ由头、躯十、胳膊及双手组成，没有腿和柔性的　脊柱，安装有一套传感系统片ｊ来模拟人的感官，包括视觉、　听觉、触觉、本体感受和前庭系统；没仃单一集中的控制　“大脑”，而是一个【ｌｊ不同处理器组成的　种机互联网络　理器（ＤＳＰ）通过网络对音频和视觉进行预处理。　Ｃｏｇ的视觉系统模拟装置是双眼结构，眼睛能绕着水　１９６０年，美闰科学家Ｊ．Ｅ．Ｓｔｅｅｌ经过长期的观察研究，　创立了仿生学　仿生学是生物科学和工程技术相结合的一　构、功能、丁作原理及控制机制，来改进现有的或创造新　的机械、仪器、建筑和］＿岂过程。　仿生机器人作为机器人技术领域中一个新兴的发展　门边缘学科，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结　控制，个体关节分别Ｉｌ１孥用的微控制器控制；数字信号处　平和竖直的轴转动，每个眼睛由两个摄像机组成，广角度　的摄像机负责外围视野，窄角度的摄像机负责景物的中心　听觉南类似助听器的一对麦克风来实现，立体声取样频牢　分支，是众多专家和学者的研究热点。科学家们从［Ｉ然界　巾各种生物身上获得灵感，创造Ⅲ众多高性能的仿生机器　项目资助：本文为辽宁省教改资助项目，自动化专业应用转型建设研究与实践，项目编号２０１６３３３；大连海洋大学教改项目，控制类课　程群，项目编号ＫＣ２０ｌ４ＫＱ２７；大连海洋大学特色专业项目（２０１４）　Ｒｏｂｏｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ２０１　７・４　Ｉ　３３　技术应用　　ｌ　俞阶及爬斜坡　为２２．０５ｋＨｚ，使川８位数据实现；触觉系统　一个传感器　步行，能够完成前后行、侧行、转　、Ｉ构成，化ｊ－　，』部，能察觉位我　接触力。　・歉　川机器人　等动作　之　，哈ｒ　大机器人研究所　ｌ＿ｊ该校机械｝　予ｌ　程敦　炎　波Ｉ：倾动力公司研制　ＰｅｌｎｌａｔＩ。其址荚　仿人机器人中的佼佼　，ｌＩＪ‘像　人－样　ｌＪｕ处浦动，以能是为荚军寅验防护服装，　饥　人小Ｉ州的址，１）ｅｌｎ　ｔｉｌｌ　无需外部支持　ｌ、　ｊ之　况下就能　研审合作开发研究具有多种操作功能的舣足仿人机器人　ＨＩＴ—Ｉｖ，陔机器人包括行走机卞勾、Ｉ　吩搜臀部执仃饥构，　ｆＪＪ步没定３２个ｆＩ巾度。　站　仃工Ｌ，　Ｌ能自我保持　ｒ衡．　外，ｉ　止、　蜚以　科技大学丁１９８８‘卜成ＪＪ＿Ｊ　制…６火　、　运动　及心埘彳丁毒物质等一系列动作刈　Ｅ来说都小成川　．除ｒ　活发较高外，Ｉ：￣ｅｔｍ　还能通过控制自身的体　、　度　束模拟人类，ｆ　学ｒｆ１的『｛我保护功能，从ｍｉ达剑城ｆ｛　的测　效果　图１　Ｐｅｔｍａｎ机器人　图２　Ｒａｂｂｉｔ机器人　２是法闫仿人机器人Ｒａｌｌｂｉｔ，高１－４Ｉｌ】，啊３６ｋｇ、　陔十Ｊ【　人、　运动Ｉｔ１ｆ自‘５个¨　炭，　维＂止【Ｉｌｆ　７个白　一１俊；舣足由轮于代替，采川极限环的控制　法能够实现　ｉ　止　跑步；运动力试ｎｒ以根据障碍物和地形做…州廊州　整，还呵以　台ｌ：扰的情况下恢复平衡。研究人　无参　孑轨迹的条件卜．使片ｊ数学方程的分析　法束描述和预测　ｌ｛ｄｈｈｉＩ的运动，通过控制施加存双足步　机　人摆动腿髋　部的　瑚　脉冲，米　脱机器人主动行走不１Ｉ被动行走交替进　仃的连续过程　１．１．２　内研究现状　哈尔演ｒ业人学自ｌ９８５年开始研制蚁址少ｉ　机器人，　』　们ｆ　１¨１双　Ｌ骨　人ｔｉｌＴ—Ｉ、ＨＩＴ—ＩＩ神ｌ　Ｈｌ　ｒ—ｌｌｌ　Ｈ１．ｒ—ｌ　１　ｎ　ｌ０个　度，重ｌＯＯｋｇ．高１．２　父　｛１，｛：流侧帔　ｌ乜饥　动，　ｒ静念步仃ＨＩＴ—ＩＩ具有ｌ２个…｝１度，　采川　Ｊ｝Ｊ｝乜机交义结卡勾，同时实现两个『Ｉ…度，腿　陶采川ｒｌ圳筒肜结卡句，　ＨＩＴ—ＩＩＩ实现了静念步行和动态　３４　Ｉ机器人技术与应用２０１７・４　舣　仃走机器人．１９９０年义先后　删成功ｌ０父　、ｌ２　父　的　『ＨＪ运动型机　人系统，ｊｉ：实现Ｊ　地　进、后　、　左“侧行、左　转弯、卜＿卜台阶、ｌ　ｆ　斜坡干¨跨越障碍物　等人类所具备的行止功能　经过１０年攻关，该校　１　２００１年研制成功我同第　一　县行人类外　特　、　可以模拟人类行走与基小　操千１；功能的仿人　机器人　先行　，如　３。该机器　入任技术Ｌ实现ｒ重大突　破，　但有类人一样的身　躯、　颅、眼睛、双臀和　双足，而且还具备一定的　寺功能　１．２空中仿生机器人　图３先行者机器人　中飞行机器人即：具有自｛‘导航能　Ｊｎ　九人驾驶　器　其他类型的机器人相比较．　－ｌＩ　机　人『ｌ　ｌＪ：　其有活动夺问广阔、不受地形限制、运动述　怏　特点，　喋、森林火灾预防以及．火Ｊ雄　撇　领域仃ｔ符ｒ　泛　ｆ　川自，』景．　．１．２．１Ｉ：　）ｌｇｆ究现状　微型蝙蝠“Ｍｉｃｒｏ　Ｂａｌ”是　｝１仿　物乜ｆ　ｈ‘　的电　动扑樊　行器，｝｛＿Ｉ美圈加州理　ｌ‘　：院、ｊＪＩｌ州久学干Ｉ　ＪＡｅ，　Ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ公州联合研制，首架原　机Ｊ　ｌ９９８　ｌ０』ｊ　Ｍｉ￣￣ｒａ　Ｂａｔ配备有微型电机干”尚能Ｉ　池，ｆＪｌ体　ｈ凡ｉ　平¨　饥翼采ｊＩＩ新　趟傲复合材料，机樊使仿蝙　ｌ　虫的翅膀，　采川ＭＥＭＳ技术）Ｊ【１　制作，通过・种　传动饥沟将微　电机的转动变换为扑翼的上下扑动　今Ｍｉｌ！ｒｏ　ｌｈｌ已经发展了４代小㈨的　机样，』　巾飞　性能最好的屉第４代机样，　为ｌ５．２４　，１，顷　为ｌ（）．５ｇ，飞行时间为６ｒａｉｎ，　ｆ　离为４６ｎ・，扑动　！　牢为２０Ｈｚ．　其采刚扑　飞行方－ｒ　，【！』Ｊ利川ｔ　迹气流扶取　部分　力，大大节省ｒ能培，捉，ｒｌ＿ｒ机　的效半，　微　技术应用Ｊ　小Ｊ　寸卜能　远大Ｆ　定其ｆ『】旋萁匕行　所产　的Ｊ＇ｔ‘　成，６　尤刷　流伺服咀　Ｌ５１ｘｌ动，　９ｌ％…　处圳　制卜，通　／Ｊ，ｆＩ『扑　匕　荚困ＪＪ［Ｉ￣－ｒｊ编　的机　干¨　体　郁较　难．　过　动　体干¨　鲭，游动速俊ｌｌＪ‘达２ｍ／ｓ，＋－ｉｆｄｔ２效率　Ｊ‘达　１９９５年，为Ｊ　研究ｍ的机动　币Ｉｌ静Ｉ卜状态卜的　』ＪＩ１速一ｒ｝：，麻竹理Ｉ　学院　没汁…ｒ　Ｉｈ，１）ＯＩＩＩＩＩＨ的收进　人　：们兜利分校从ｌ９９８年川：始，历　时４　ｔ　皋于仿十学原　设　‘Ｊ｝研制…一种　为“机械苍　蝇（ＭＦＩ）”的扑　微　飞行　．ｎ　‘泛心Ｊｔｌ于环境临洲，　废墟撇援以及　耵问渫等领域．　．Ｍｌ　、ｌ　高／ｆ　到３Ｏｈｍ１，　展２５１ＴＩＩ］Ｉ，重　只有ｌＯ｛ｈｎｇ，　柯４，１　１　膀ｌｆ『ｌ一个玻璃眼睛，曙休足Ｈｊ像纸一样薄的／ｆ　锈钢制成，　膀川聚哺　忻做成，　太　能　池　动，一　个微　Ｊ　焚　动器能以１Ｒ０次／Ｈ的顿牢震动４只　膀　陔　仃　可模仿苍蝇的飞行特　，｛：ｊ＝个　膀卡ｉ１埘自　体呵以实现两个方向的转动，转动的『ｆ】度分别为１４０。和　９０。　若　ＭＦＩ的头部安装微，　传感器羽ｌ摄像机，则口ｆ　将　仃过　ｒｆ１扪擞到的　片进行同传．　１２．２同内研究现状　同内研究人员始终火　荷　中　＊ｔ：－０Ｌ　人的发展动　态．ｆ￣ｌｔＢＪ　琏钏　沦　应川ｔ＿Ｌ做Ｊ　大鲑ｌＹ，ＪｄＪｆ究　作北　航　航天大　Ｋ期从　｝｛‘昆虫匕行　论研究，通过酞验脱测、　理论汁　、模拟仿真的　‘法研究昆虫飞　、悬停、转弯等　动作的　现机卿，为微　扑樊飞行　的没汁提供￣￣ｔｔｔｉ￣依　据　南　航卒航人久　利川ＩＦ定常涡　法的汁　，通过　分析仿呜复合振动的扑　气动特性，制作…几ｆ１ｌ】不州大小　平¨形式的仍呜扑　行器，　于２００２年　’次酞飞成功　最新Ｊ　Ｕ－；ｔ＇，Ｊ榨制水　ｒ　匕行时　，达剑卜ｊ荚…Ｍｉ｛－ｒｏ　Ｂａｔ　激Ｊ　扑　仃器旧等的技术水、　【　一ＩＬ　１、　『尺，　研制的扑　｛　故　ｉ　仟卡『ｌ币约　１６．５ｋｇ．．录川聚合物钾ｆ乜池做电源，做　电动ｆＪｌ做　动源，　碳玎维做坩　，乐川粜　机美，扑　卒１０．５ｌｔｚ．　ｉ¨　…ｆ　ｌ５ｓ～２Ｉ　ｓ　此外，还仃尔南大学、扬州大学等也　仿　ｌ　扑　仃　机构的饥珲分析、扑翼　仃　验测试　的建立等方　进　ｆ探喙　１．３水下仿生机器人　旧内外　展ｆ￣Ｊ　ｉｉ　ｔ仇　，ｊ，．ｉｉｊ￣ｔ究已经仃很Ｋ｝｛、ｆ问ｒ，ｆｌ＿ＩＸ，Ｊ＋于　机器位填体的　’ｌｔｌＪ！ｌＪ是从２０　ｆＩｔ．＃，一９０年代开始的　随着吧　ｆ技术　材料科学的发喂，机器ｍ的没　越术趑成熟　Ｉ．３．１…外　状　火Ｉｌ４嘛竹　院研发的ｆＪｌ器　怆ｆｉｔ“Ｒｏｈｏｔｍｍ”，　是　上筇一祭　Ｉ｝　意艾上的仿　卜ｆ．ＬＪ　ｉ　ｕ　ｆ１ｆ．　ｉ￣ｆ）Ｌ　仇Ｋ　约１．２５ｆｌＩ，宽（）．２ｌＩＩ】．商０．３ｍ，个吁…２８４３个　冬什　『ｉ　，Ｐｊｋ　该仇仆Ｋ约０．８ｌｍ，　约３．６ｋｇ，　盯ｉ，ｉ　ｆＩＩ　旋　玻璃纤维弹锩陶成，这种粜　结构！　女　０ｌＪｌ１．ＮＡ能　Ｊ，ｒＩｆ以抵抗游动时的撞．ｆ　，　强　以他　乐受　水Ｊ　蜒ＩＩ＝－Ｉ埃　克斯夫学机　仇　题　从２００５　ｈ－ＪＩ：￣ｆＦＵＩ制　系列的机　ｆ『Ｌ，Ｊｉ：从（　系列ｆ１　ｊＭＴ系列Ｊｔ：　机　仇的　『　究，　研究丁ｆ１　粜ｌｆｌ　如何　现仿仇游动，特刖址ｌＩ－稳　定游动方　（；系列机器位均采川多电饥、多火１５－０９　ＪＥ　‘汁，ｊＩ．越　过埘多个电机进行　川控制，陔机器ｆｌｆ＿ｌｆ　游动套念ｆ【　】ｆｌ＇ｔ　徵　棚似、　ＭＴ系列机　Ｃｎ＿Ｊｔ０采川　ＩＵｆＪ【、多火１　的　邴绀卡勾，利川５个参数的控删钎：法　脱机器ｆｆＩ的　ｉ运动　ｉ亥系列　【　ｆａ　ＭＴｌ长约（）．４８ｍ，币：约３．６ｋｇ，、ｒ　Ｊ勺Ｉ　，』　ｉ　－ｉＪＩＬ＇＇：　约为（）．４ｍ／ｓ，“，Ｉｆ　水ｍ瞍丛刮２０。。ＩＩ，ｆ＇ｊＬ　ｌ　浒述Ｊ变　（）．０２　Ｉ　Ｉｌｌ／Ｓ．　Ｊ＇ｔ‘述　０。０２２１ｎ／ｓ　１．３．２闻『７、】研究现状　』匕京航空航人人　、　：从１９９９　ＪＩ　研制　ｆＪ【　ｆｒｔ　２００２　，该久　所属机　人研究所研制…ｓＩ　：一１　Ｙ　ＬＰ，￣ｆｒｔ，　¨的足为ｒ进行新Ｊ　水动　Ｊ　的游功　定　Ｆｔ：－＋＇ｉＪｔ：　．以　确定ｆＪ【　Ｊ　、ｒｆ『Ｉ述瞍的父系　陔机器ｆ『ｌ　Ｋ约１．９ｍ．ｍ约ｌ５６ｋｇ，　！　２１ｔｚ　ＩＩ，ｆ』ｌ２人　速度Ｉ　Ｊ’丛１．５ｎ・　．１ｉＫｉ．，卜转弯、ｌ　ｆ　乃ｌ　ｆ　ｆ小ｆ　一ＩＬ航ｆｌ＿Ｊ｛Ｊ这　款饥器　ｘ，Ｊ　湖水质进｛　Ｊ’愉删　２００３＂１－，　ＩＥ舟　ｊ　１）【：一Ｉ｝Ｊｌ　ｆｃ￣．２ｆｔ　ｒ　Ｌ‘　ｊ　．　ｆ　川１ｌ１　ＳＰ（：一ｌ　Ｉ　ｌ　，＆…冬Ｉ　４　ｉ亥ｆＪ【　Ｌ　ｆ　１ｄｉ￣￣＇２收进ｔ＋ｉＪ　】　Ｊ　Ｉ　．　ｊｔ将　Ｊ１ｊ于邛成功ｌｔ１　Ｉ　Ｘ，肌ｇｒ　￣遗址的水下　『Ｊ１‘抓删　图４　ＳＰＣ—Ｉ　ｌ机器鱼　Ｒｏｂｏｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ２０１　７・４　Ｉ　３５　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　１技术应用　哈尔滨ｌ　程人学］：２００８年攻克了水ｒｆ１微犁机器人的　完成任务。　２．３协作化　核心技术——离子聚合物ＩＣＰＦ的制作’Ｔ　艺，成功研制　物，　驱动器，　定ｒ水　微删仿，ｔ－￥ＪＬ器人的研究开发皋　础　陔驱动器可以像肌肉一样柔性弯ｒｆｌｔ，同时还具备传感　功能　多机器人的协作控制研究是当今一个活跃且具钉挑　战性的课题，　于诸多客观条件的局限性，使得更多的研　究不得不借助于仿真的手段来完成。随着对多机器人研究　的深入，多机器人仿真系统有了较大发展　机器人的运作　不再是　单一的机器来完成，而是需要多个机器人的合作　来完成。各机器人之间必须相互帮助、相互通信，以实现　多机器人间的相互协作。　２．４仿形化　２０１　１年，该大学利川Ｊ　ＩＣＰＦ技术研制ｆＨ微　机器鱼，　参加Ｊ～卜一　”　家重大科技成就展。陔机器鱼Ｋ约　９¨Ｔ１．宽约５ｃｍ，厚约３ｃｍ，重约６０ｇ，可以模拟真实鱼　类的游泳姿态、机器位将控制电路板作为鱼的骨架，把机　ｍ分成ｍ身、尾鳍、胸鳍３部分，这种结构改变了传统　的没汁　念。　仿生机器人的外形与所模仿牛物的相似性，也是仿生　机器人研究的热点之一。在军事侦察和间谍任务中，如果　２仿生机器人的发展趋势　２．１微型化　仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完全一致，将能更　加隐蔽、更加安全地完成任务。　仿，卜机器人做　化的关键是实现机电系统的微型化，　将驱动器、传动装嚣、传感器、控制器、电源等集成到一　块硅片ｆ　，构成微机电系统　口前，由微机电系统制成的　段、　３结论　仿生机器人在军事领域、未知环境探测、抢险救援、　热点．．仿生机器人作为机器人家族中的重要成员。所具有　分微型仿生机　人已经由实验率研究进入到实际应用阶　娱乐和服务等方面的重要性，成为２ｌ世纪机器人研究的　２．２智能化　的高度灵活性和柔性已受到机器人学者的广泛关注。鉴于　机器人作业环境的复杂化羁ｌ未知化，人类必须向自然界学　习，从自然界为人类提供的丰富多彩的实例中获得灵感，　仿　机　人从传统的纯机械式机器人逐渐向智能机　器人转变，通过融人多　：科知以，将单一动作变得更加多　样化．¨时动作　』ＪＩ１人性化，外形更加真实　仿生机器人　的糟能化使ｊ　ｒ以根据环境变化而改变，进入各种人类难　以接近的灾　观场实施渊食，从　更加安全、更』ＪＩ１完美地　以寻求解决问题的途径；通过埘自然界生物的学习、模仿、　复制和冉造，发现和发展相关的理沦和技术方法，使机器　人　功能和技术层面Ｌ不断提高。　　・参考文献　…谢ｒ川．孔祥战　何农）匕．机器人概论ＩＭｌ＿哈尔滨：哈尔滨：ｒ：程火学　版社，２（）１３：１６３—２０４．　Ｉ２Ｉ岁｝天生，罗　．我的机器人——仿生机器人的设汁与制作【Ｍ】．北京：北京理Ｉ　大学…版礼，２０ｌ６：１６—６８．　Ｉ３ｌ拿云江机器人概论『Ｍ１．北京：机械工业｝ｎ版社，２０１　１：１—４０　１４Ｉ罗Ｊ大生，韩宝玲．观代仿生机器人设计【Ｍ１．北京：电子Ｉ　：业Ｈ｛版礼，２００８：２３—６４．　闭彪，陈殿生，陈科位，等．仿生机器人研究现状与发展趋势ｌＪ】＿机械１　程学报，２０ｌ５，５１（１３）：２７—４４．　『６　爱组，戴振东，周来水．仿生机器人的研究进展『６】Ｊ１＿机器人，２０１：）５　２７（３）：２８４—２８８　丽慧，周华．仿生机器人的研究现状及其发展方向ＩＪ１．上海师范大学学报（自然科学版），２００７，３６（６）：５８—６２．　８沈惠平，马小蒙，盂庆梅，等．仿生机器人研究进展及仿生机构研究ｌＪ１＿常州大学学报（自然科学版）　２０ｌ５，２７（１１：ｌ一１０．　９术红　东署．仿生机器人研究进展综述『Ｊ１．机床与液压，２０１２，４０（１３）：１７９—１　８３．　Ｉｌ（）】路ｍ弹．仿　学的科学意义　沿：仿生学的意义与发展＿Ｊ１ｌ科学・Ｉ　同人，２００４（４）：２２—２４．　【Ｉ　ｌ】Ｐｆｅｉｆｅｒ　Ｒ，ＩＪｕｎｇａｒｅｌｌａ　Ｍ，ｌｉｄａ　Ｆ．Ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ　ｉｎｓｐｉ　ｒｅ（１　ｒｏｂｏｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｔ　２００７　３１８（５８５３）：１０８８—１０９３　３６　ｌ机器人技术与应用２０１７・４