仿生机器人现状

1、仿生机器人现状仿生学Bionics研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学一词 是1960年由美国JE斯蒂尔根据拉丁字“bios”（ “生命方式”的意思）和字尾“nic ” （“具有，的性质”的意思）构成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、 或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类 在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨 论会的召开为标志。仿生学的研究范围主要包括：力学仿生，研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成 部分在体内相对运动

2、和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模 仿贝壳修造的 大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建 材承受最大的载荷。分子仿生，研究与模拟生物体中胞的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分 子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后， 合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。能量仿生，研究与模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生 物体中的能量转换过程。信息与控制仿生，研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活 动等方面生物体中的信息处理过程。例

3、如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮 廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的一些装置。此外，它还研究与模拟体内稳态， 运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生 的部分内容称为神经仿生。仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的 需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑 战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面一生物模式识

4、别的研究，大脑学习、记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等一是仿生学研究的主攻方面。控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。在仿生学研究中存在下列3个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。由于生物系统的复杂性，搞清生物系统的机制需要相当长

5、的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协 作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。人工肌肉我们之所以能够行动、举起重物，靠的是肌肉与骨骼的协调运动。肌肉的最小单元是肌纤维，肌纤维由肌动蛋白和肌凝蛋白两种蛋白质交错排列而成。十多年前，美国太空总署为了在外太空工作，计划开发新型的机器手臂，来完成传统油压机器手臂无法做的精密动作。 藉由模仿人类手臂肌肉的动作，开发出多种材料，可以藉由电流的通过产生收缩现象，这类的材料 称为电致动聚合物。电致动聚合物的动作原理和肌肉收缩原理有些不同，随着电位大小的变化，会产生不同程度的形状改变。通电时，电致动聚合物内部分子受到电位的影响，使分子排列从原本的结

6、构变成偏往某一端聚集，整个外观看起来，就像是整条电致动聚合 物如同肌纤维一样弯曲、缩短或伸长。当电位的方向改变时，又会使电致动聚合物向另一个方向弯曲。电致动聚合物的这种特性，为其赢得了人工肌肉的称号。人工肌肉可以应用于机器手臂，由于聚合物的重量比金属轻了许多，应用于外太空可以大幅减 少载重。目前国外已经成功利用电致动聚合物制造出机器手臂和机器脸，机器手臂已可做出如伸出某支手指这种精密的动作，未来可以开发出手术用的机械手臂，机器脸也有能力做 出像是眨眼或动嘴唇的膘情。电致动材料的发展与应用目前尚处于初期的阶段，现有的电致动聚合物仍有许多缺点等待克 服，如降低驱动电压、增进机械强度、加大变形程度、

7、以及加快反应速度等。除了上述机械手臂和机械脸的应用外，电致动聚合物也被制成机器昆虫或可以在水中游泳的机器鱼。电致 动聚合物也可以用在医疗方面，例如量血压用的压脉带，甚至用来替换受损伤的肌肉组织。当病 患的肌肉坏死无法动作时，医疗人员便可利用电致动聚合物植入患处，配合适当的电刺激，使残障 者可以重新活动，不需要再倚赖轮椅和拐杖了。藉由仿效自然法则，模拟感官接收、传递、运作的方法与机制，可以为人类带来许多福祉。未来仿生科技结合奈痉材料及生物技术，可以制造人工视网膜、人工味蕾、人工神经传导系统等更复杂的人工感官系 统，必会对人类的生活提供更多的助益。i-Limb的新型仿生手据报导，这只堪称“全球第一

8、手”的精良仿生手系由苏格兰触摸仿生公司制造，其发明者是 英国国家卫生体系苏格兰洛锡安区的复康部主管大卫高医生，目前已经申请专利。高医生潜心 研究义肢20年，9年前开始尝试研制仿生手。他表示，这是当今市场上首只指头可以像真手般活动的义肢。因此技术堪称世界一流。由于其材料选用类似制造汽车引擎零件的轻量化塑胶制成， 完全防水，并且比真手还轻。Touch Bio nics仿生公司宣称这是迄今能做出最细微动作的义肢。用户只要轻轻动手臂肌肉便能操纵仿生机械手，手上5根指头都可独立运作，并通过患者的思维和肌肉来控制动作任 意做出打字、拨号码、用钥匙开锁等复杂动作，宛如真手一般灵活自如。发明该仿生手的医生表示

9、，这只仿生手是目前最先进的，这是市场上首只仿生手的手指头能够像真手般活动 的义肢。“ i-LIMB ”的每根手指都安装有一个微型马达，并且可由其穿戴者发出的神经脉冲加以控 制。该仿生手凭手臂肌肉推动，其表面覆盖有一层类比人类皮肤的半透明人工美容皮肤，逼真度极 高。只要装上仿生手，贴在穿戴者手臂的电极会将信号传送至微型马达，推动仿生手做出各种动作。不过，就手的触觉来说，这只仿生手目前只能做到利用小部份的感觉信号，经由神经系统传达到大脑，所以还有相当大的发展空间。更让人惊奇的是，这只生化电子手能和截肢者的身体完美的结合，造福伤残人士。而在这项发明中，最令我们雀跃的是神经末端和电子手部间的无线传达，

10、为支援热插拔(hot-swap )的嵌入性手臂开创了新契机。仿生手未推出前曾作临床实验，14名分别来自英国及美国的人装上仿生手， 他们大都表示，仿生手远比一般义肢好用。4.仿生机器人仿生机器人的基本概念仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点 工作的机器人。仿生机器人的类型很多，主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类。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，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。仿生机器人的国内外研究现状水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境，在机

11、构设计上比陆地机器人难度大。在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面 的设计均需考虑。以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压。鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象。仿鱼推进器效率可达到70% 90%，与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多，有效地解决了噪音问题水下机器鱼和机器蟹的灵活性远远 高于现有的潜艇，几乎可以达到水下任何区域，由人遥控，它可轻而易举地进入海底深处的 海沟和洞穴，可用于测绘海洋地图，检测水下污染，拍摄海洋生物，也可以悄悄地溜进敌方 的港口，进行侦察而不被发

12、觉，作为军用侦察和科学探索的工具，其发展和应用的前景十分广阔。空中仿生机器人空中机器人即具有自主导航能力，无人驾驶的飞行器。这类机器人活动空间广阔、运动 速度快，居高临下而不受地形限制，在军事、森林火灾以及灾难搜救中，前景极好。其飞行 原理分为：固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑 翼机的研究，它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理，将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼 系统，可以用很小的能量做长距离飞行，同时具有较强的机动性，适合于长时间无能源补给 及远距离条件下执行任务。地面仿生机器人可以攀爬管道的蛇形机器人，这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成，最大也只 有成

13、人手臂大小，机器人配有摄像机和电子传感器，可以接受遥控指挥。蛇 形机器人可以成 功上下一根塑料管道，并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由，让蛇形机 器人在坍塌废墟中穿梭，能更快地找到幸存者，为灾难救援工作带来了技术突破。仿人机器人自1983年以来，美国研制出一系列7自由度拟人单臂和双臂一体机器人，并已用于 空间站实验.1986年美国犹他州大学工程设计中心研制成功了著名的UTAHM IT灵巧手，该 手有4指，拇指2关节，其余3指各有3关节，手指关节绳索驱动并设有张力传感器。 1990年由贝尔实验室完成了灵巧手的软硬件控制系统，并模拟 人手的拿、夹、抓、握物体 等多种动作进行了实验.

14、1992年日本进行多指仿人手臂真实作业的研究，系统由主从手臂及 传感控制系统组成，其灵巧手有4指，每指有3个关节，手具有14个自由度。随着多指灵 巧手研究的发展，具有灵巧手的仿人臂及其系统的研究愈来愈受到重视。日本本田公司和大 阪大学联合推出的P1、P2和P3型仿人步行机器人，将仿人机器人的研究推向一个崭新的 度。在P3的基础上本 田公司又研制了“ Asimo”智 能机器人，如图6所示.“Asimo”机 器人高1.2m ,体重43kg，它可以爬楼梯，以6km /h的速度奔跑，可以识别各种各样的声 音，还能够通过头部照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序识别人类的各种手势运动以及 10种不同的脸型

15、，可以和人手拉着手走路，使用手推车搬运物品等。国内一些科研 院所也 进行了仿人机器人的研究。北京航空航天大学机器人研究所在国家863智能机器人主题支持下，研制出了能实现简单抓持和操作作业的3指9自由度灵巧手。哈 尔滨工业大学机器人研究所研制了高灵活性的仿人手臂及拟人双足步行机器人，其仿人手臂具有工 作空间大、关节无奇异姿态、结构紧凑等特点，通过软件控制可实现避障、回避关节极限和优化动 力学性能等。双足步行机器人为关节式结构，具有12个自由度，可以完成仿人步行的动作。仿生机器人的发展方向1. 仿生机器人结构的微型化微型仿生机器人可用于小型管道进行检测作业，可进入人体进行检查和实施治而不伤 害人体

16、，也可以进入狭小的复杂环境进行作业等。仿生机器人微型化的关键是实现机电系 统的微型化，即将驱动器、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，才能实现机器人整体结构的微型化。仿生机器人的相似性和多变性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、更安全地完成任务.日本研制的变形机器人包括若干小机器人，小机器人 通过红外传感器和照相机识别周围的障碍物，然后相互协调，按照不同需要组合成狗、蜘蛛 和蛇等7种形态，可以根据环境变化而改变自己的形状。机器人的多变性使其能够进入各 种人类难以接近的灾害现场实施调查，还有望应用于航天探测等领域。仿人机器人的多功能性21世纪人类将进入老龄化社会，发展多功能仿人机器人将弥补年轻劳动力的严重不足， 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。仿生机器人群仿生机器人群通常应用在需要多机器人协作的场合，如机器人生产线、柔