仿生机器人浅谈

仿生机器人浅谈

02320902 20090440 于苏显众所周知，自然界中的生物以其多彩多姿的形态!灵巧机敏的动作活跃于自然界，这中其人类灵巧的双手和可以直立行走的双足是最具灵活特性的。而非人生物的许多机能又是人类无法比拟的，如柔软的象鼻子，可以在任意管道中爬行的蛇，小巧的昆虫等。因此，自然界生物的运动行为和某些机能已成为机器人学者进行机器人设计!实现其灵活控制的思考源泉，导致各类仿生机器人不断涌现，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。

在人类发展的历史长河中，对仿生机械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要发展模仿人的机器人，又要发展模仿其他生物的机械（器）。机器人未问世之前，人们除研究制造自动偶人外，对机械动物非常感兴趣，如传说诸葛亮制造木牛流马，现代计算机先驱巴贝吉设计的鸡与羊玩具，法国著名工程师鲍堪松制造的凫水的铁鸭子等，都非常有名。几年前，科技工作者为圣地亚哥市动物园制造电子机器鸟，它能模仿母兀鹰，准时给小兀鹰喂食；日本和俄罗斯制造了一种电子机器蟹，能进行深海控测，采集岩样，捕捉海底生物，进行海下电焊等作业。美国研制出一条名叫查理的机器金枪鱼，长1.32米，由2843个零件组成。通过摆动躯体和尾巴，能像真的鱼一样游动，速度为7.2千米/小时。可以利用它在海下连续工作数个月，由它测绘海洋地图和检测水下污染，也可以用它来拍摄生物，因为它模仿金枪鱼惟妙惟肖。

仿生机器人主要分为仿人类肢体机器人和仿非人生物机器人。仿人类肢体又可以分为仿人手臂和双足。仿非人的主要分为宏型和微型。仿人手臂型主要是研

究其自由度和多自由度的关节型机器人操作臂!多指灵巧手及手臂和灵巧手的组合。仿人双足型主要是研究双足步行机器人机构。宏型仿非人生物机器人主要是研究多足步行机器人（四足，六足，八足），蛇形机器人、水下鱼形机器人等，其体积结构较大。微型仿非人生物机器人主要是研究各类昆虫型机器人，如仿尺蠖虫行进方式的爬行机器人、微型机器狗、蟋蟀微机器人、蟑螂微机器人、蝗虫微机器人等。仿生机器人的主要特点：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂；二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人，采用绳索或人造肌肉驱动。

仿生式体系结构的思想原理：从本质上来讲，慎思式智能、反应式智能以及分布式智能，都是对生物控制逻辑和推理方式的一种借鉴和仿生，但由于客观条件的限制和需求目的的局限，它们都只是从某一个角度和方向对生物智能的一种片面的、局部的模仿。本文的仿生式体系结构就是以前述的生物控制逻辑和行为推理为基础，充分借鉴基于慎思式智能、反应式智能和分布式智能等三种体系结构思想的优点与不足之处，针对目前机器人特别是未知环境下工作的移动机器人在控制体系结构方面所存在的缺点和问题，提出一种具有适应行为与进化能力的新的控制思想与理念。

借鉴分布式智能的思想，在控制体系结构中引人社会式行为控制层；

借鉴生物的自适应性思想，在控制体系结构中实现本代内的由慎思式行为层到反射式行为层的学习；

借鉴生物的自进化性思想，在控制体系结构中实现多代间的由反射式行为层向本能式行为层的进化(或退化)。

所以，仿生式体系结构共有四个行为控制层组成，即本能式行为控制层、反

射式行为控制层、慎思式行为控制层和社会式行为控制层，它们并行接收来自感知层的外部和内部信息，各自做出逻辑判断和反应，发出控制信息到末端执行层，通过竞争和协调来调节自身并适应外部环境，从而按照目标完成工作任务。

下面简单举一些例子来说明。

1.模仿大象鼻子的机器人手臂

这是根据大象鼻子的特点设计出来的新型仿生机器处理系统--“仿生操作助手”。“仿生操作助手”由德国工程公司费斯托公司研制，它可以平稳地搬运重负载，原理在于它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩。

2.模仿壁虎的粘性机器人

如果没有吸盘，机器人如何在垂直、光滑的物体(如玻璃)表面攀爬呢？而使用吸盘速度很慢，效率很低。美国斯坦福大学机械工程学教授马克-库特科斯基研制了一种“粘性机器人”，其设计灵感就源自壁虎足垫上的小刚毛。壁虎足垫上长有数以百万计的小刚毛，小刚毛还拥有细微的分叉尖端，它们可以与物体表面的分子结合，产生强大的粘附力。这种粘附力可以帮助壁虎自由地在垂直、光滑的物体表面攀爬。

3.机械蟑螂

科学家们发现，蟑螂在高速运动时，每次只有三条腿着地，一边两条，一边一条，循环反复，根据这个原理，仿生学家制造出机械蟑螂，它不仅每秒能够前进三米，而且平衡性非常好，能够适应各种恶劣环境，不远的将来，太空探索或排除地雷，就是它的用武之地。

4.机器梭子鱼

麻省理工学院的机器梭子鱼，是世界上第一个能够自由游动的机器鱼。它大部分是由玻璃纤维制成的，上覆一层钢丝网，最外面是一层合成弹力纤维。尾部由弹簧状的锥形玻璃纤维线圈制成，从而使这条机器梭子鱼既坚固又灵活。一台伺服电动机为这条机器鱼提供动力。

仿生机器人的主要研究问题包括以下五个方面：

1 建模问题

仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性。其一般都是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂，运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别，且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是研究仿生机器人的关键问题之一。

2 控制优化问题

机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到整体大于组分之和，同时要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 信息融合问题

在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都装备有一定量的传感器。多传感器的信息融合技术是实现其具有一定智能的关键。信

息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部环境

的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。

4 机构设计问题

合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。

5 微传感和微驱动问题

微型仿生机器人有些已不是传统常规机器人的按比例缩小，它的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等多学科。对于微型仿生机器人的制造，需

要解决一些工程上的问题，如动力源、驱动方式、传感集成控制以及同外界的通讯等。实现微传感和微驱动的一个关键技术是机电光一体结合的微加工技

术。同时，在设计时必须考虑到尺寸效应、新材料、新、工艺等问题。

仿生机器人的发展趋势

一，随着先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的上下料功能向高度柔性、高效率和精密装配功能转化。二，近年来，对移动机器人的研究到越来越多的重视，使机器人能够移动到固定式机器人无法达到的预定目标，完成设定的操作任务。包括步行机器人和爬行机器人等。仿生移动式机器人在工业、农业和国防上具有广泛的应用前景，它们能用于卫星探测、军事侦察、危险的废料处理以及农业生产中。三，向非制造业扩展是机器人发展的一个重要方向。在非制造业中的医疗、娱乐和社会福利等方面的仿生机器人有很好的发展前景：如用于外科

手术的多指手、仿生机器人玩具、老年人或卧床不起病人护理机器人和人工肢等。

自然界中生物体的多样性、复杂性和灵敏性是自然环境与亿万年时间磨砺的结果。人类在工程领域对生物的模仿或许在某个方面会超过生物体，但从总体上来说，在同一环境下，人类将只能逐步接近，而永远不能超越这些大自然的生灵。