仿生機器人分為哪幾類
按照使用環(huán)境的不同，又可以將機器人分為水下仿生機器人，空中仿生機器人和地面仿生機器人。
水下仿生機器人是指模仿魚類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、機動靈活的柔體潛水器，這些仿魚推進器的效率可以達(dá)到70%到90%。比如說機器魚、機器蟹等等。由于單個水下仿生機器人的活動范圍和能力有限，所以具有高機動性、高靈活性、高效率、高協(xié)作性的群體仿生水下機器人系統(tǒng)將是未來發(fā)展的趨勢。
空中仿生機器人是具有自主導(dǎo)航能力、無人駕駛的飛行器。空中機器人具有它獨特的優(yōu)勢。比如說它們的活動空間比較廣闊，運動速度也很快，它們在空中飛行可以不受地形的影響等等。這一類的機器人的應(yīng)用前景是非常好的，特別是在軍事上的應(yīng)用。
地面仿生機器人根據(jù)他行走方式的不同可以分為跳躍式的機器人、輪式機器人、足式機器人以及爬行類機器人等。比如說有早稻田大學(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，還有蛇形機器人或者是仿壁虎機器人等等。
在仿生機器人中人們相當(dāng)重視的還有就是類人機器人的研究和發(fā)展。類人機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特有的步行方式。類人機器人主要是外形的仿人、類人行走和完成抓取等基本操作功能，它集成了多門學(xué)科知識和多項高新科技，代表了機器人的尖端技術(shù)。
類人機器人適應(yīng)環(huán)境的能力比較強，能耗比較小，而且與人協(xié)同工作起來也比較的容易，但是正是由于受到它自身的特點的制約，類人機器人的研究還有很長的一段研究之路組要走。類人機器人的研究涉及到了很多方面，比如說機構(gòu)學(xué)，材料學(xué)，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)等等。
仿生機器人研究現(xiàn)狀仿生機器人的出現(xiàn)很好地體現(xiàn)了仿生應(yīng)用的理念。如圖1所示，人類最早進行了陸面仿生機器人的探索，如中國三國時期的木牛流馬以及1893年由Rygg設(shè)計的機械馬；其次，進行了空中仿生機器人探索，最早模仿鳥類的飛行進行撲翼飛行器設(shè)計，1485年達(dá)芬奇設(shè)計的撲翼飛機圖紙是世界上第一個按照技術(shù)規(guī)程進行的設(shè)計；最后，是水下仿生機器人的探索。縱觀仿生機器人發(fā)展歷程，到現(xiàn)在為止經(jīng)歷了三個階段。第一階段是原始探索時期，該階段主要是生物原型的原始模仿，如原始的飛行器，模擬鳥類的翅膀撲動，該階段主要靠人力驅(qū)動。至20世紀(jì)中后期，由于計算機技術(shù)的出現(xiàn)以及驅(qū)動裝置的革新，仿生機器人進入到第二個階段，宏觀仿形與運動仿生階段。該階段主要是利用機電系統(tǒng)實現(xiàn)諸如行走、跳躍、飛行等生物功能，并實現(xiàn)了一定程度的人為控制。進入21世紀(jì)，隨著人類對生物系統(tǒng)功能特征、形成機理認(rèn)識的不斷深入，以及計算機技術(shù)的發(fā)展，仿生機器人進入了第三個階段，機電系統(tǒng)開始與生物性能進行部分融合，如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿生材料的融合以及仿生驅(qū)動的運用。當(dāng)前，隨著生物機理認(rèn)識的深入、智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿生機器人正向第四個階段發(fā)展，即結(jié)構(gòu)與生物特性一體化的類生命系統(tǒng)，強調(diào)仿生機器人不僅具有生物的形態(tài)特征和運動方式，同時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。如隨著人類對人腦以及神經(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。
我國仿生研究起步較晚，近30年來在NSFC的大力資助下，經(jīng)歷了跟蹤國外研究、模仿國外成果到局部領(lǐng)域齊頭并進三個階段。如北京航空航天大學(xué)孫茂教授利用Navier-Stokes方程數(shù)值解和渦動力學(xué)理論研究了模型昆蟲翼作非定常運動時的氣動力特性，解釋了昆蟲產(chǎn)生高升力的機理，為微型仿生撲翼飛行器的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)，在國際昆蟲撲翼飛行機理研究方面占有一席之地。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏教授研制的類人五指靈巧手，能靈活運動并進行物品的抓取，技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。
今天，仿生機器人種類繁多，本文主要針對陸面仿生機器人、空中仿生機器人、水下仿生機器人領(lǐng)域中的部分典型研究工作進行介紹與分析。
陸面仿生機器人
在自然界中，陸面生物的運動方式多種多樣，有雙足運動方式，如人類；有多足爬行方式，如狗、壁虎等；有無足移動方式，如蛇類；有跳躍方式，如袋鼠、青蛙、蝗蟲等。研究人員從這些生物的組織結(jié)構(gòu)、運行方式等方面得到啟發(fā)，進行了陸面仿生機器人的研究。主要有仿人機器人、仿生多足移動機器人、仿生蛇形機器人和仿生跳躍機器人等。
仿人機器人
分揀機器人設(shè)備仿人機器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移動、感知、操作、學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、情感交流等功能的智能機器人，可以適應(yīng)人類的生
活和工作環(huán)境。這是一個融合機械電子、計算機科學(xué)、人工智能、傳感及驅(qū)動技術(shù)等多門學(xué)科的高難度研究方向，是各類新型控制理論和工程技術(shù)的研究平臺，也是目前仿生機器人技術(shù)研究中具有挑戰(zhàn)性的難題之一。仿人機器人的研究可以推動仿生學(xué)、人工智能學(xué)、計算機科學(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價值和意義。，仿人機器人經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，從最初的單元功能實現(xiàn)，僅模仿人進行簡單行走，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、觸覺等多項技術(shù)并能根據(jù)外界環(huán)境變化作出自身調(diào)整，完成多項復(fù)雜任務(wù)的擬人化、高智能化系統(tǒng)。
仿人機器人的研制開始于20世紀(jì)60年代末的雙足步行機器人。日本早稻田大學(xué)首先展開了該方面的研究工作，其研制的WAP、WL以及WABOT
系列機器人能實現(xiàn)基本行走功能。在此期間，日本、美國、歐盟、韓國等國家的多家機構(gòu)均進行了仿人形機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年研制出了美國第一臺雙足步行機器人SD-1以及其改進版SD-2。
該階段主要還是側(cè)重實現(xiàn)機器人的行走功能，并能實現(xiàn)一定程度的控制。進入21世紀(jì)，隨著傳感以及智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿人機器人具有一定的感知系統(tǒng)，能獲取外界環(huán)境的簡單信息，可做出簡單的判斷并相應(yīng)調(diào)整自己的動作，使得運動更加連續(xù)流暢。如本田公司于2000年研發(fā)的仿人形機器人“ASMIO2000”不僅具有人的外觀，還可以事先預(yù)測下一個動作并提前改變重心，因此轉(zhuǎn)彎時的步行動作連續(xù)流暢，行走自如，是第一個具有世界影響力的仿人形機器人。索尼公司2003年推出的“QRIO”機器人首次實現(xiàn)了仿人機器人的跑動。其后，法國的“BIP2000”機器人、索尼公司的“SDR”系列機器人、日本JVC公司研制的“4”機器人、韓國的“HUBO”機器人，實現(xiàn)了諸如站立、上下樓梯、跑步、做操等復(fù)雜動作。隨著控制理論的發(fā)展與控制技術(shù)的進步，仿人機器人智能性更強，能實現(xiàn)動作更復(fù)雜，運行更穩(wěn)定，且能根據(jù)環(huán)境的改變和它自身的判斷結(jié)果自動確定與之相適應(yīng)的動作。如本田2011年發(fā)布的“ASIMO2011”機器人，綜合了視覺和觸覺的物體識別技術(shù)，可進行細(xì)致作業(yè)，如拿起瓶子擰開瓶蓋，將瓶中液體注入柔軟紙杯等，還能依據(jù)人類的聲音、手勢等指令，來從事相應(yīng)動作，此外，還具備了基本的記憶與辨識能力。
2013年美國波士頓動力公司研制的“ATLAS”機器人是當(dāng)前仿人形機器人的一個代表，除了具有人形外觀，還具備了人類簡單的識別、判斷以及決策功能，是一款具有較高智能化的類人機器人。該機器人能在傳送帶上大步前進，躲開傳送帶上突然出現(xiàn)的木板，能從高處跳下穩(wěn)穩(wěn)落地，能兩腿分開從陷阱兩邊走過，能單腿站立，被從側(cè)面而來的球重撞而不倒。
該公司開發(fā)的另一款用于美軍檢驗防護服性能的軍用機器人“Petman”，除了具有較高靈活度外，還能調(diào)控自身的體溫、濕度和排汗量來模擬人類生理學(xué)中的自我保護功能，已經(jīng)一定程度上具有了人類的生理特性。
仿人機器人另一個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現(xiàn)簡單運動階段發(fā)展到現(xiàn)在集運動感知于一體，并能實現(xiàn)類似人手諸如抓取等細(xì)微操作的機電系統(tǒng)。美國加利福尼亞大學(xué)TOMOVIC等于1962年針對傷寒病患者設(shè)計的“Belgrade”被認(rèn)為是世界上最早靈巧手，只能實現(xiàn)簡單動作。SALISBURY等于1982年設(shè)計的“Stanford/JPL”仿人手首次完整引入了位置、觸覺、力等傳感功能，開創(chuàng)了多指手實際抓取操作的先河，是當(dāng)時乃至現(xiàn)在都很具有代表性的機械手。此后，機械手朝著更加靈活，更加智能的方向發(fā)展。2010年德國宇航中心DLR研制的手-臂聯(lián)合系統(tǒng)“Hasy”機械手臂，總共具有21個自由度，是第一個采用仿生學(xué)關(guān)節(jié)進行手指設(shè)計的多指靈巧手，手指關(guān)節(jié)的運動模仿人手進行面接觸滑動而不是單純的轉(zhuǎn)動，使其運動特性與人類手指更加接近
國內(nèi)仿人形機器人研究起步較晚，2000年國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“先行者”是我國第一臺仿人形機器人。其后，北京理工大學(xué)于2002年研制的仿人機器人“BHR”，突破了系統(tǒng)集成技術(shù)，實現(xiàn)了無外接電纜的行走，可在未知地面上穩(wěn)定行走且能實現(xiàn)太極拳表演等復(fù)雜動作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開發(fā)的“HIT”系列雙足步行機器人實現(xiàn)了靜步態(tài)和動步態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺階及上斜坡等動作。清華大學(xué)研制開發(fā)的仿人機器人“THBIP”采用獨特傳動結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)無纜連續(xù)穩(wěn)定地平地行走、連續(xù)上下臺階行走以及端水、太極拳和點頭等動作。北京理工大學(xué)2011年研制成功的“匯童5”仿人機器人，代表了我國現(xiàn)階段仿人機器人的最高水平，具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能，突破了基于高速視覺的靈巧動作控制、全身協(xié)調(diào)自主反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，成為具有“高超”運動能力的機器人健將，此外，浙江大學(xué)也進行了仿人機器人的研制，通過軌跡預(yù)判的方法提高了機器人對復(fù)雜情況的處理能力，實現(xiàn)了機器人打乒乓球的運動。
在仿人手臂與靈巧手指方面的研究，北京航空航天大學(xué)的研究開展較早，1993研制成功了我國第一只三指手“BUAA-I”，其隨后改進版本“BUAA-II”型和“BUAA-III”型三指手相繼問世。上海交通大學(xué)從2005年開始進行基于腦電的機械手臂操作研究，著重研究如何提高假肢手的操作功能和操作靈巧性，開發(fā)功能更先進的生物/機械系統(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DLR聯(lián)合研制的類人五指靈巧手“HIT/DLRHand”，具有多感知能力，運動靈活，抓取過程仿人化，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。目前仿人機器人研究已在諸如關(guān)鍵機械單元、整體運動、動態(tài)視覺等多方面取得了突破，但是與人運動的靈巧性和控制的自主性相比還相差很遠(yuǎn)。仿人機器人的最終發(fā)展目標(biāo)不僅是外形及運動方式模仿人，而且思維方式和行為方式也接近人，能夠通過與環(huán)境的交互不斷獲取新的知識，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)化的動態(tài)環(huán)境。
仿生多足移動機器人仿生多足移動機器人的靈感來源于自然界的
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，進行結(jié)構(gòu)模仿設(shè)計。因其具有良好的地形適應(yīng)能力，近20年來一直是一個非常活躍的研究領(lǐng)域，受到世界各研究機構(gòu)的關(guān)注。經(jīng)過幾十年的探索，仿生多足移動機器人的機構(gòu)與控制均得到較大發(fā)展，從單一模仿生物移動發(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機器人。
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，是仿生多足移動機器人技術(shù)發(fā)展史上的一個里程碑。此后，隨著計算機技術(shù)的進步，能自主控制移動的機器人相繼出現(xiàn)。如日本東京工業(yè)大學(xué)研制的“TITAN”系列四足步行機器人，具有多種運動步態(tài)，可在傾斜的樓梯上行走。美國波士頓動力公司2008年仿大狗研制的“Bigdog”機器人是多足運動機器人的代表，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，也能很快地通過調(diào)整步態(tài)恢復(fù)平衡狀態(tài)。可以爬山坡、過雪地、走石子路，上下樓梯，在光滑的冰上行走，甚至能跳躍跨過單杠，可用于軍方運輸。該公司2013年最新研制的“獵豹”機器人能夠沖刺，急轉(zhuǎn)彎，并能突然急剎停止，與生物原型運動較接近。它的奔跑速度最高可達(dá)到46km/h，是目前運動速度最快的仿生多足移動機器人。
并聯(lián)分揀機器人的設(shè)計還有學(xué)者基于昆蟲的爬行運動機理進行仿生多足機器人的開發(fā)。美國凱斯西儲大學(xué)研制的仿蟋蟀爬行機器人，是仿生昆蟲機器人中的一個代表，可以在一定的范圍內(nèi)行走和跳躍，能夠適應(yīng)粗糙地帶，能靈活地進行跑動、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)等機構(gòu)在美國國防高級研究計劃局的資助下，研制了“RHex”系列腿式機器人，擁有六條半弧的“彈力腿”，能夠輕松實現(xiàn)快速行駛、跳躍、騰空翻轉(zhuǎn)和攀爬等動作。研究人員還從壁虎能在垂直墻面上行走獲得啟發(fā)研制爬壁機器人。
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