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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图12仿生机器鱼VCUUV国内对仿生机器鱼的研究较晚,主要有北京航空航天大学、哈尔滨工程大学、 国防科技大学等高校。中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究 所研制出的SPC-II机器鱼，已应用于水底考古探索。图13 spc-n机器鱼机器蟹如图14所示为美国2000年研制的新型扫雷机器人，这种含有六条腿类似螃 蟹的东西采用了最先进的技术，有望进入军队服役。它由美国空军实验室和IS 机器人公司共同研制，可用于陆地和水下作业。这种机器人采用了类似螃蟹的仿 生设计和自适应软件技术，从而具备了螃蟹运动的灵活、稳定和高效率，可以轻
2、 松地越过障碍和裂缝。地形环境改变时，由于机器蟹体上装有多个状态传感器和 集成的控制系统，因而它可以迅速调整姿态和运动方式，稳定、迅速地到达目标 区域。机器蟹采用自适应软件技术后使系统具备了一定的容错能力，当某个部件 失效时，根据软件的计算分析迅速调整系统，使机器人仍能保持工作能力。当控 制软件发现机器人一条腿失灵后，它会重新调整机器人的姿态和运动模式，并均 匀分配其它腿的负荷，可保持机器人的平衡状态，使它能继续完成任务。目前， 这种机器人已经在美国海军作战中心进行了演示，在陆地和浅水中成功实现了模 拟扫雷任务。图13新型扫雷机器人-机器蟹3仿生机器人关键技术问题运动机理的建模问题生物原型是仿
3、生机器人的研究基础，软硬件模型那么是仿生机器人的研究目 的，而数学模型那么是两者之间必不可少的桥梁。由于仿生机器人结构复杂，运动 过程中具有高度的灵活性和适应性。而运动学和动力学模型与常规机器人的模型 有较大差异，因此研究仿生机器人运动建模问题是实现机构的可控化的关键问 题之一。3.1 控制优化问题由于仿生机器人一般都是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂，这就决定了 控制系统的复杂化。仿生机器人还要求能够适应复杂多变的工作环境，因此必须 具备强壮的定向导航控制能力。在研发仿生机器人过程中必须研究高效优化的控 制算法，才能使系统具有实时处理能力。3.2 信息融合问题仿生机器人一般工作于未知的环境，
4、代替人完成各种危险、单调和困难的工 作任务。机器人必须具备丰富的感官来感知外界环境及自身信息，并将多种信息 进行融合，对应采取的运动模态做出相应的判断和决策，对运动参数做出调整。 在仿生机器人的设计研发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，必须装备一 定量的传感器，以实现对视觉、听觉、嗅觉、触觉等信息的感知。3.3 机构设计问题自然界中生物形态经过千百万年的进化，其本身结构特征极具合理性因而 能够生存于复杂万变的自然环境。合理的机构设计是仿生机器人实现的基础，想 通过机械来完全仿制生物体几乎是无法实现的，只有在充分研究生物结构和运 动特性的基础上进行高度提取、概括，才能开发出高度仿生的机器人机
5、构。仿生机器人除上述研究问题外，工作环境的特殊性还带来了驱动、材料等各 种问题，显而易见，如何解决这些技术问题，并将各个功能模块有机地整合在一 个合理的框架内，保证系统的稳定、可靠，是突破仿生机器人制约瓶颈的关键。4仿生机器人开展趋势分析仿生机器人的微型化仿生机器人的微型化的关键是实现机电系统的微型化。将驱动器、传动装置、 传感器、控制器、电源等集成到一块硅片上，构成微机电系统。目前，由微机电 系统制成的局部微型仿生机器人已经由实验室研究进入实际应用阶段。4.1 仿生机器人的结构智能化仿生机器人从传统的纯机械式机器人逐渐转向智能机器人，动作更加人性 化，外形更加真实化。从一般的单一动作，变得更
6、加多样化，融入了多学科的知 识。仿生机器人的智能化使其能更平安、更完美的完成任务，可以根据环境变化 而改变，进入各种人类难以接近的灾害现场实施调查，来完成任务。4.2 仿生机器人的协作化机器人的运作不再是单一的一个机器来工作，而是需要多个机器人的合作来 完成任务。各机器人之间必须互相帮助、互相通信来协作工作。多机器人的协作 控制研究是当今一个活跃且具有挑战性的课题。然而由于诸多客观条件的局限所 带来的矛盾，使得更多的研究不得不先借助于仿真的手段来完成。随着多机器人 研究的深入，多机器人仿真系统也有了较大开展。4.3 仿生机器人的仿形仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性，也是仿生机器人研究的热
7、点之 -O在军事侦察和间谍任务中，如果仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完 全一致，将能更隐蔽地、更平安地完成任务。4.4 仿生机器人的多功能性21世纪人类将进入老龄化社会，在仿生机器人领域中，研发多功能仿人机器 人将弥补年轻劳动力的严重缺乏，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问 题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会。5总结目前，仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员，其所具有的高度灵活 性和柔性已受到机器人学者的广泛关注。随着机器人作业环境的复杂化和未知 化，人类必须向自然界学习，从自然界获取丰富多彩的实例以寻找求解决问题的 途径，通过对自然界生物的学习、模仿、复制和再造，发现和开展相
8、关的理论和 技术方法，使机器人在功能和技术层次上不断提高。仿生机器人在军事领域，未 知环境探测、抢险救援、娱乐和服务等方面的重要性，已经成为21世纪机器人 研究的热点。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
9、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。然后对仿生机器人开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开展趋势进行了展望。关键词：仿生机器人 仿生学 研究现状 开展趋势1959年，第一台工业机器人在美国诞生，开创了机器人开展的新纪元。机器 人的诞生和机器人学的建立及开展，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 所未有的开展，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
10、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，生物体开展了灵巧的 运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人开展取之不尽的知识源泉。1960年, 美国科学家Steel JE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
11、 的环境方向开展。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 生学的开展为基础，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 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
12、器人技术领域中的一个新兴的开展分支，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
13、。与其他类型的机器 人相比拟，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Micro Bat”
14、，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 开展了 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局部升力，因而大大节省了能量，提 高了升力获取的效率，
15、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MFL如图2所示。 其身高不到30mm,翼展25mm,重量只有lOOmg。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。假设在机器苍蝇的头部安装微型传
16、感器和摄像机，那么可以将飞行过 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“Micro Bat”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，
17、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。2.2 陆地仿生机器人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，美国那么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(DO
18、F),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
19、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ASIMO2.2.1 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 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，大局部已经具备抬头、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
20、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 点在于其外表覆盖着占总面积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
21、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。图5蛇
22、形机器人OmniTread图4火星探测蛇形机器人t12V 3AMotor十12VCAN busCompressor 95PsiVoltage regulatorPneumatic valves and pressure sensorMicrocontroller3/2 supply valve3/2 exhaust valve J-Pcx/ver SuoplyPosition and pressure control+36V3A + 12V 3A CAN busIkiMarifoldwPneurnatic bellowsManifold%ravIlq U iknManifoldManifold
23、Pressure transducerTo the bellowsPotentiometerPotentiometer图6 OmniTread的控制系统2.2.2 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-poto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”
24、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外表 行走，可行走100纳米的距离，相当于行走50步。图7机器蜘蛛Spider-pot图8在二维物体外表行走的“纳米蜘蛛”机器人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
25、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15cmxl5cmxl5cm,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Imin。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 器人结构上保存了第二代中的主体局部，增加
26、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能力得 到加强。图9蛙形跳跃机器人图10 NASA研制的第三代跳跃机器人跳跃运动仿生主要是模仿袋鼠和青蛙。美国卡内基梅隆大学和日本都已成功 研制出模仿袋鼠的跳跃机器人。图11所示为我国西北工业大学研制的用于星面 探测的仿生袋鼠弹跳机器人，机器人重1.4 kg,跳远度为813 mm,跳高度为471 mm。其设计理论是基于袋鼠的跳跃运动机理和齿轮一五杆组合机构，较大幅度 提高了弹跳机构对能量的利用率，其效率可达70%,防止了弹跳机器
27、人提前起跳, 从而解决了利用微小电机驱动机器人实现弹跳运动的问题。图11机器人实验样机的实物2.3 水下仿生机器人水下机器人又称为水下无人潜器，是一种工作于水下的极限作业机器人，能 潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度 有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。2.3.1 机器鱼仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件或智能 材料来实现水下推进的装置。仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂 的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，进行海洋生物考察、海底勘探 和海洋救生等等许多场合。美国、日本等国的科学家们研制出了各种类型的仿生 机器鱼实验平台和原理样机。美国麻省理工学院于1994年成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生机 器金枪鱼。1998年，MIT研究组和美国Draper实验室联合研制了RoboTuna的最高 版VCUUV,该机器人是模仿黄鳍金枪鱼研制的，长2.4m,宽0.4m,高0.5m,重 136kg,尾鳍展长0.65m,摆动频率为1Hz时到达最大游动速度1.2m/s,最大转脑 速度75。人。其尾鳍采用循环液压驱动，胸鳍用电机驱动，目的在于开发一种主动 利用涡流结构辅助推进的自主水下机器人，通过自由游动显示了良好的减阻性 能，并在RoboTuna的基础上提高了机动性，转向稳定性和深度保持能力。