探析仿生机器人的特点、应用与发展

在机器人研究领域中，将仿生学与机器人学紧密结合的仿生机器人近年来受关注程度最高，受支持力度最大，是机器人未来发展的主流方向之一。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航空航天、星际探索、军事侦察、资源勘探、水下探测、管道维护、疾病检查、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展[46]。未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。人们要求机器人不仅适应原来结构化的、已知的环境，更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环境。除了传统的设计理论与方法之外，人们把目光对准了丰富多彩的生物界，力求从门类繁多的动植物身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制模式的研究中，这就是仿生学在机器人科学中的应用[47]。这一应用已经成为机器人研究领域的热点之一，势必推动机器人研究的蓬勃发展。

生物的运动行为、协调机能、探索机理、控制方式已经成为人们进行机器人设计、实现其灵活控制的思考源泉，促进了各类仿生机器人的不断涌现[48]。众所周知，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或内部机能的机器人系统。时至今日，仿生机器人的类型已经很多，按其模仿特性可分为仿人类肢体和仿非人生物两大类。由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产、生活和科学研究有着极大的帮助，所以，自20世纪80年代中期以来，科学家们就开始了有关仿生机器人的研究[49]。

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[50]。仿人类肢体又可以分为仿人手臂和仿人双足。仿非人的主要分为宏型机器人和微型机器人。仿人手臂型机器人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。仿人双足型机器人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、鱼形水下机器人等，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、仿蟋蟀机器人、仿蟑螂机器人、仿蝗虫机器人等。

仿生机器人的主要特点包括：一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构比较复杂；二是其驱动方式不同于常规的关节型机器人，多采用绳索、人造肌肉、形状记忆金属等方式驱动。

今天，科学家们已经研制出了或能飞、或善跑，或可自由遨游在海洋中的各类仿生机器人，例如仿生鱼（见图1-46）、仿生鸟（见图1-47）、仿象鼻机械臂（见图1-48）、仿生狗（见图1-49）、仿生猎豹（见图1-50）等，并且，仿生机器人的家族人丁兴旺，仍在不断的壮大。可以预期，仿生机器人必将在人们的生产、生活中发挥越来越大的作用。

图1-46　仿生鱼

图1-47　仿生鸟

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图1-48　仿象鼻机械臂

图1-49　BigDog

图1-50　MIT Cheetah

当今最为先进的仿生四足机器人是由美国波士顿动力公司研发的BigDog（见图1-49）。地球上有一半以上的地形不适合轮式机器人运动，为了让机器人能够涉足这些地方代替人类完成特定任务，波士顿动力公司设计了BigDog机器人，它是一个可适应复杂地形的四足机器人，采用液压驱动，功重比非常大。经过几代优化后，可以实现灵活的行走、小跑，攀爬斜坡和跨越障碍，甚至能够以奔跑步态行进。BigDog令人叫绝的运动能力表现在它可以在丛林、沼泽、山岭、雪地、冰面上稳健自如地运动，在突然失去平衡时能够表现出强悍的调节能力，尤为突出的抗侧向冲击能力。新一代BigDog增加了一个机械臂，可以抓取和抛投重物，这将会增加它在复杂环境中的适应能力，也有利于它能够移开前进道路上的障碍物，更加顺利地行进。

未来，仿生机器人的发展趋势主要体现在四个方面：一是朝小型化与微型化方向发展。微小型仿生机器人既可用于小型管道的检测维修作业，也可用于人体内部检查或微创手术，还可用于狭窄复杂环境中的特种作业，等等。仿生机器人微型化的关键在于所用器件的微型化和微系统的高效集成，即将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等微型化后构成微机电系统[51]。二是朝续航时间长、运动能力强、作业范围广的移动式仿生机器人的方向发展。多功能、高性能的移动式仿生机器人将在工业、农业和国防上具有广泛的应用前景。三是朝具有医疗、娱乐、康复、助残等功能的仿生机器人的方向发展。如研制用于外科手术的多指灵巧手，用于陪伴老人、小孩的仿生机器人玩具，用于看护病人的仿生机器人和人工义肢等。四是朝实现仿生机器人群体化、网络化协同作业的方向发展。大量同类的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、柔性加工厂、消防、无人作战机群等[52]。将通过模仿蚂蚁、蜜蜂以及人的社会行为而衍生的仿生系统，通过个体之间的合作完成某种社会性行为，通过群体行为增强个体智能，进而提高系统整体的效率与性能。

【注释】

[1]尼龙材料的一种。