仿真机器人

一．简介 (3)

二. 发展历史 (3)

三．体系结构 (6)

四．仿生机器人的国内外研究现状 (9)

4.1水下仿生机器人 (10)

4.2空中仿生机器人 (10)

4.3地面仿生机器人 (11)

4.4仿人机器人 (11)

五．仿真机器人的发展趋势及技术 (12)

5.1机器人机构技术 (12)

5.2机器人控制技术 (12)

5.3数字伺服驱动技术 (13)

5.4多传感系统技术 (13)

5.5仿真机器人应用技术 (13)

5.6仿真机器人网络化、灵巧化和智能化技术 (13)

六．参考文献 (13)

一．简介

简单来说，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。从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著）

二．发展历程

器人技术作为一门新兴学科，在工业飞速发展的今天扮演着非常重要的作用，而其发展与机械电子、机电一体化、控制原理等多学科的发展息息相关。仿生机器人作为机器人领域的一大分支，可以说是本世纪一个不可忽视的领域，也将是机器人日后发展的大方向。

仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科, 它由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而成。它在精密雷达、水中声纳、导弹制导等许多应用领域中都功不可没。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中, 尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用。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、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展. 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。除了传统的设计方法,人们也把目光对准了生物界, 力求从丰富多彩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的研究中, 这就是仿生学在机器人科学中的应用。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展。

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。仿生机器人的类型很多,按其模仿特性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和科学研究活动有着极大的帮助,所以,自80年代中期以来,机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。仿人型步行机器人是目前机器人技术的前沿课题, 是具有挑战性的技术难题之一。日本本田公司和大阪大学联合推出的P2 和P9型仿人步行机器人代表了当今世界的最高水平。仿非人生物机器人的研究近二十年来一直是一个非常活跃领域, 国外很多研究机构和公司在进行这方面的研究和开发。Keisuke Arikawa等研究的TITAN-Ⅷ型四足步行机器人能够以稳定的方式在不平的地面行走, 可以以非接触方式绕过地面上的障碍, 能够向任何方向运动, 同时腿的自由度可以用于工作。以上即是仿生机器人的发展现状，关于仿生机器人的研究, 美国和日本走

在前列,此外加拿大、英国、瑞典、挪威、澳大利亚等国也都在开展这方面的技术研究。

仿生机器人的主要研究问题很多，主要包括以下五个问题：第一，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。第二，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。第三，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。第四，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。最后，即是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。

生物在地球上已经生存了亿万年, 它们进化得如此完美以致于在机器人的设计中处处可见它们的踪迹。下面仅就运动机理和行为方式两个方面讨论其在机器人设计中的应用。生物运动机理在仿生机器人研究中的应用十分广泛，其应用涉及航空、军事、医学等各个领域。第一种是陆地机器人，它要求机器人在各种地形表面能以各种方式运动。第二种是水下机器人，水下机器人由于其所处的特殊环境,在机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。第三种是地外探险机器人，在探索地球以外其他星球的活动中, 当然少不了机器人的参与。机器人接受人的指令, 完成指定的任务。由于地外星球地貌复杂、环境恶劣, 因此, 对地外探险机器人的要求比对普通陆地机器人的要求更高。

先进制造技术的发展对仿生机器人的研究正起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展,工业机器人已从当初的上下材料功能高度柔性、高效率和精密装配功能转化,因此,开发面向先进制造环境的仿人机械臂及灵巧手有大量的理论与实践工作要做。目前运行的绝大多数机器人都是固定式的, 它们只能固定在某一位置上进行操作, 因而其应用范围和功能受到限制。近年来, 对移动机器人的研究受到越来越多的重视, 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。移动机器人中绝大多数是仿生机器人, 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。

科学家预言, 21世纪的尖端技术之一是微型机器人。仿生微型机器人可用于小型管道进行检测作业, 可进入人体肠道进行检查和实施治疗而不伤害人体, 也可以进入狭小的复杂环境进行作业, 因此,机器人的小型化和微型化是一个发展趋势。

三．体系结构

机器人体系结构，就是指为完成指定目标的一个或几个机器人在信息处理和控制逻辑方面的结构方式。

基于功能来分解

基于功能分解的体系结构在人工智能上属于传统的慎思式智能，在结构上体现为串行分布，在执行方式上属于异步执行，即按照“感知一规划一行动”的模式进行信息处理和控制实现。以美国国家航天局和美国国家标准局所提出的NASR人MtI〕为典型代表。这种体系结构的优点是系统的功能明了.层次清晰，实现简单。但是申行的处理方式大大延长了系统对外部事件的响应时间，环境的改变导致必须重新规划，从而降低了执行效率。因此只适合在已知的结构化环境下完成比较复杂的工作。

基于行为来分解

基于行为分解的体系结构在人工智能上属于现代的反应式智能，在结

构上体现为并行(包容)分布，在执行方式上属于同步执行，即按照“感知一行动”的模式并行进行信息处理和控制。以麻省理工的R.A.Brooks所提出的行为分层的包容式体系结构(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的基于MotorSc hema的结构为典型代表。其主要优点就是执行时间短、效率高、机动能力强。但是由于缺乏整体的管理，很难适应于各种情况。因此只适用于在沐淘环境下执行比较简单的任务。

基于智能分布来分解

基于智能分布的体系结构在人工智能上属于最新的分布式智能，在结构上体现为分散分布，在执行上属于协同执行，既可以单独完成各自的局部问题求解，又能通过协作求解单个或多个全局问题。以基于多智能体的体系结构为典型代表。这种体系结构的优点是既具有“智能分布”的特点，又有统一的协调机制。但是如何在各个智能体之间合理的划分和协调仍然需要大量的研究和实践。该体系结构在许多大型的智能信息处理系统上有着广泛的应用。

除以上三类主要的体系结构之外，还有一些改进的混合式体系结构，如带反馈环节的行为分解模式、基于分布式智能的分层体系结构、基于功能分解的多智能体结构等等。但是从整体上来看，它们或是在功能模块的灵活性和扩展性上不足，或是没能很好的协调慎思式智能与反应式智能，或是各层次间的交流机制不够完善。

控制体系

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，各自作出逻辑判断和反应，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。

四．据报导，这只堪称“全球第一手”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 Bionics 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，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，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。

四．仿生机器人的国内外研究现状

水下机器人由于其所处的特殊环境，在机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。

4.2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。.

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。

4.4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.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，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。

五．仿真机器人的发展趋势与技术

仿真人机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展,其现状及发展趋势与技术主要体现在以下几个方面:

5.1机器人机构技术

目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性,其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。另外研究机器人一些新的设计方法,探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载／自重比。同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。

5.2机器人控制技术

现已实现了机器人的全数字化控制,控制能力可达20-30轴的协调运动控制;基于传感器的控制技术已取得了重大进展。同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外,离线编程的实

用化将成为重点研究内容。

5.3数字伺服驱动技术

机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制,绝对位置反馈。目前正研究利用计算机技术,探索高效的控制驱动算法,提高系统的响应速度和控制精度;同时利用现场总线(FILDBUS)技术,实现的分布式控制。

5.4多传感系统技术

为进一步提高机器人的智能和适应性,多种传感器的应用是其问题解决的关键。目前视觉传感器、激光传感器等已在机器人中成功应用。

5.5仿真机器人应用技术

仿真机器人应用技术主要包括机器人工作环境的优化设计和智能作业。优化设计主要利用各种先进的计算机手段,实现设计的动态分析和仿真,提高设计效率和优化。智能作业则是利用传感器技术和控制方法实现机器人作业的高度柔性和对环境的适应性,同时降低操作人员参与的复杂性。

5.6仿真机器人网络化、灵巧化和智能化技术

网络化使机器人由独立的系统向群体系统发展,使远距离操作监控、维护及遥控脑型工厂成为可能,这是机器人技术发展的一个里程碑。目前,机器人仅仅实现了简单的网络通讯和控制,网络化机器人是目前机器人研究中的热点之一。仿真机器人结构越来越灵巧,控制系统愈来愈小,其智能也越来越高,并正朝着一体化方向发展。

六．参考文献

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