研究进展：仿生机器人的探究

1.运动机理仿生

运动机理仿生是仿生机器人研发的前提，而进行运动机理仿生的关键在于对运动机理的建模。在具体研究过程中，应首先根据研究对象的具体技术需求，有选择地研究某些生物的结构与运动机理；然后借助于高速摄影或录像设备，结合解剖学、生理学和力学等学科的相关知识，建立所需运动的生物模型，并在此基础上进行数学分析和抽象，提取出内部的关联函数，建立仿生数学模型；最后利用各种机械、电子、化学等方法与手段，根据抽象出的数学模型加工出仿生的软、硬件模型。

生物原型是仿生机器人的研究基础，软、硬件模型则是仿生机器人的研究目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。只有借助于数学模型，才能从本质上深刻地认识生物的运动机理，从而不仅模仿自然界中已经存在的两足、四足、六足以及多足行走方式，同时还可以创造出自然界中所不存在的一足、三足等行走模式以及足式与轮式配合运动等。

（1）无肢生物爬行仿生 无肢运动是一种不同于传统的轮式或有足行走的独特的运动方式。目前，所实现的无肢运动主要是仿蛇机器人，它具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点。美国的蛇形机器人则代表了当今世界的先进水平。2000年10月美国开发了一种由简单的、低自由度组件组成的、高柔性的、高冗余性的蛇形机器人，其外形类似眼镜蛇，长而细，能够收缩、侧行、跳过低障碍物，这是以轮子为基础的火星车无法做到的。我国第一台蛇形机器人在2001年由国防科技大学研制成功，长1.2m，直径6cm，重1.8kg，可蜿蜒前进、后退、拐弯和加速。其最大前进速度20m/min，换上“蛇皮”可在水中游动，可根据头部的视频监视器传回的图像发出具体的控制指令。

（2）两足生物行走仿生 两足行走是步行方式中自动化程度最高、最复杂的动态系统。世界上第一台两足步行机器人是日本在1971年试制的Wap3，最大步幅15mm，周期45s。但直到1996年，日本本田技术研究所才制造出世界上第一台仿人步行机器人P2。1997年，本田推出P3行走机器人，2000年推出ASIMO行走机器人，索尼也相继推出机器人SDR23X和SDR24X。本田公司的P2行走机器人高1.82m，体重210kg，能够行走，转弯，上、下楼梯和跨越15cm高、15cm长的障碍。P2行走机器人的改进型P3行走机器人身高1.6m，体重130kg，与人类更加接近。而ASIMO行走机器人身高1.2m，体重43kg，可实时预测以后动作，并且以事先移动重心来改变步行的形式，可连续地从直行改为转弯，可实现螃蟹的行走模式，可在斜坡上行走、单足站立。索尼的SDR24X行走机器人身高58cm，体重6.5kg，在水平、平坦路面上最快每分钟行走20m，在不平坦地面上最快每分钟行走6m。SDR24X行走机器人可以在10mm凹凸的路面上以及接近10°的斜坡上行走而不会跌倒，并能顺着挤压、牵引等外力作用做出适当的姿势防止跌倒，在跌倒后也可自己站起来；还可以通过CCD相机来识别障碍，并自行设计避障路线前进。

（3）四足等多足生物行走仿生 与两足步行机器人相比，四足、六足等多足机器人静态稳定性好，又容易实现动态步行，因而特别受到包括中国在内的近二十多个国家的学者的青睐。日本Tmsuk公司开发的四足机器人首次实现了可移动重心的行走方式。

（4）跳跃运动仿生 跳跃运动仿生主要是模仿袋鼠和青蛙。美国卡内基·梅隆大学研制出了模仿袋鼠的弓腿跳跃机器人，重2.5kg，腿长25cm，重0.75kg，采用1000N·m/g的单向玻璃纤维合成物做弓腿，被动跳越时能量损失只有20%～30%，最高奔跑速度略高于1m/s。日本Tamiya公司开发了一种袋鼠机器人，全长18cm，低速时借助前后腿步行，高速时借助后腿和尾部保持平衡，可通过改变尾部转向。明尼苏达大学的微型机器人可跳跃、滚动，可登楼梯，跳过小的障碍，两个独立的轮子可帮助机器人在需要时滚到一定的位置。美国太空总署和加州理工大学研制的机械青蛙重约1.3kg，有一条腿，装有弹弓，一跃达1.8m，可自行前进及修正路线，适合执行行星、彗星及小行星的探索任务。

（5）地下生物运动仿生 江西南方冶金学院袁胜发等人模仿蚯蚓研制了气动潜地机器人。它由冲击钻头和一系列充气气囊节环构成，潜行深度10m，速度5m/min，配以先进的无线测控系统，具有较好的柔软性和导向性，能在大部分土壤里潜行，但还不能穿透坚硬的岩石。

（6）水中生物运动（游泳）仿生 海洋动物的推进方式具有高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，成为人们研制新型高速、低噪声、机动灵活的柔体潜水器的模仿对象。其突出的代表有美国麻省理工学院的机器金枪鱼和日本的鱼形机器人。机器金枪鱼由振动的金属箔驱动外壳的变形，模仿金枪鱼摆动推进。继机器金枪鱼之后，他们还研制出机器梭子鱼和一种涡流控制的无人驾驶水下机器人。日本东海大学的机器鱼利用人工前鳍来达到前进及转弯等相关动作，相对于机器金枪鱼而言摆动较小。北京航空航天大学的机器鱼重800g，在水中的最大速度为0.6m/s，能耗效率为70%～90%。上海交通大学模仿水蛭节状结构研制出了水下蠕虫机器人。

（7）空中生物运动（飞行）仿生 目前，对飞行运动进行仿生研究的国家主要是美国，剑桥大学和多伦多大学也在开展相关方面的研究工作。加州大学伯克利分校制造了机器人苍蝇，翼展3cm，重量300mg，依靠3套不同的复杂机械装置来进行拍打翅膀、旋转操作，每秒振翅200次。佐治亚州理工学院与剑桥大学合作研制了类似飞蛾的昆虫机器人Ento-mopter，体宽1cm，每秒振翅30次，靠化学“肌肉”驱动。

2.控制机理仿生

控制机理仿生是仿生机器人研发的基础。要适应复杂多变的工作环境，仿生机器人必须具备强大的导航、定位、控制等能力；要实现多个机器人间的无隙配合，仿生机器人必须具备良好的群体协调控制能力；要解决复杂的任务，完成自身的协调、完善以及进化，仿生机器人必须具备精确的﹑开放的系统控制能力。如何设计核心控制模块与网络，以完成自适应、群控制、类进化等一系列问题，已经成为仿生机器人研发过程中的首要难题。

自主控制系统主要用于在未知环境中，系统的有限人为介入或根本无人介入操作的情况下。它应具有与人类相似的感知功能和完善的信息结构，以便能处理知识学习，并能与基于知识的控制系统进行通信。嵌套式分组控制系统有助于知识的组织、基于知识的感知与控制的实现。

自主控制系统作为人类操作者的替代者，可用于许多对人类操作者有危害的场合下，还可以用于比人类操作者性能更高的智能系统中。假设自主控制系统参与有目标的行为之中，而问题又可以分解为子问题或子任务等。当然，智能控制的所有阶段都可以在自主控制系统中被完成。非常一般的自主控制系统的结构包括传感器、感知、知识库、通过外界闭合的控制和驱动回路，通过通信连接与外部联系起来。这种通信联系用来指定或修正任务，接收事先考察的结果，启动、中止或修正所需要的自主控制系统动作，还可以提供将几个自主控制系统单元作为一个整体的通信。处理冗余、空间约束和加权约束特性以及实时运行都是非常重要的特性。

3.信息感知仿生

信息感知仿生是仿生机器人研发的核心。为了适应未知的工作环境，代替人完成危险、单调和困难的工作任务，机器人必须具备包括视觉、听觉、嗅觉、接近觉、触觉、力觉等多种感觉在内的强大的感知能力。单纯地感测信号并不复杂，重要的是理解信号所包含的有价值的信息。因此，必须全面运用各时域、频域的分析方法和智能处理工具，充分融合各传感器的信息，相互补充，才能从复杂的环境噪声中迅速地提取出所关心的正确的敏感信息，并克服信息冗余与冲突，提高反应的迅速性和确保决策的科学性。

实现机器人的信息感知，就必须依靠仿生系统感知器。仿生系统感知器（传感器）分为内部感知器和外部感知器。所谓内部感知器是完成仿生系统运动所必需的那些传感器，如位置、速度传感器等，它们是构成系统不可缺少的基本元件；外部感知器取决于仿生系统所要完成的任务。常用的外部传感器有力觉传感器、触觉传感器、接近觉传感器、视觉传感器等。对于需要与环境有接触的作业，如抓取、装配等就需要有力（腕力）觉传感器；对于需要在狭窄的空间作业，又不碰上其他运动物体，需要有接近觉传感器。一方面，人类有相当强的对外感受能力，尽管有时人的动作并不十分准确，但人可以依靠自己的感觉反馈来调整或补偿自己动作的误差，从而能够完成各种简单的或复杂的工作任务。由此可见，感觉能力能够补偿动作精度的不足。另一方面，人们的工作对象有时是很复杂的，例如当人抓取一个物体时，尽管物体的大小和软硬程度通常不一样，但人能依靠自己的感觉能力用恰当的夹持力抓起这个物体，并且不会损坏它。因此，有了感觉能力，才能适应工作对象的复杂需要，才能有效地完成工作任务。过去，由于仿生系统（机器人）没有感觉能力，唯一的办法就是提高它的动作精度，并限制工作对象不能很复杂。但是，动作精度的提高受各个方面的限制，不可能无限制地提高；并且工作对象有时也是很难加以限制。因此，要使仿生系统具有更好的任务适应性，使其具有感知能力是十分重要的。

仿生系统需要的最重要的感觉能力可分为以下几类：(www.xing528.com)

1）简单触觉：确定工作对象是否存在。

2）复合触觉；确定工作对象是否存在以及它的尺寸和形状。

3）简单力觉：沿一个方向测量力。

4）复合力觉：沿一个以上方向测量力。

5）接近觉：工作对象的非接触检测。

6）简单视觉：孔、边、摄角等的检测。

7）复合视觉：识别工作对象的形状等。

除了上述能力外，仿生系统（机器人）有时还需要具有温度、压力、滑动量、化学性质等感觉能力。

仿生系统对传感器的一般要求是：

1）精度高、重复性好。传感器的精度往往直接影响仿生系统（机器人）的工作质量，机器人系统能否准确无误地工作取决于传感器的测量精度。

2）稳定性好、可靠性高。机器人传感器的稳定性和可靠性是保证机器人能够长期稳定工作的必要条件。机器人经常是在无人看管的条件下代替人工进行操作，万一它在工作中出现事故，轻者影响工作的正常进行，重者造成严重的事故。

3）抗干扰能力强。机器人传感器的工作环境往往比较恶劣，因此需要传感器能够承受强电磁干扰、强振动，并能够在一定的高温、高压、高污染环境下正常工作。

4）重量轻、体积小、安装方便可靠。对于安装在机器人手臂等运动部件上的传感器，重量要轻，否则会加大运动部件的惯性，影响机器人的运动性能。对于工作空间受到某种限制的机器人，对体积和安装方向的要求也是必不可少的。

4.能量代谢仿生

能量代谢仿生是仿生机器人研发的关键。生物的能量转换效率最高可达100%，肌肉把化学能转变为机械能的效率也接近50%，这远远超过了目前使用的各种工程机械；另外，肌肉还可自我维护、长期使用。因此，要缩短能量转换过程，提高能量转换效率，建立易于维护的代谢系统，就必须重新回到生物原型，研究模仿生物直接把化学能转换成机械能的能量转换过程。

5.材料合成仿生

材料合成仿生是仿生机器人研发的重要部分。许多仿生材料具有无机材料所不可比拟的特性，如良好的生物相容性和力学相容性，并且生物合成材料时技能高超、方法简单，所以，其研究目的一方面在于学习生物的合成材料方法，生产出高性能的材料；另一方面是为了制造有机元器件。因此，仿生机器人的建立与最终实现并不仅仅依赖于机、电、液、光等无机元器件，还应结合和利用仿生材料所制造的有机元器件。