仿生机器人技术简介

1、仿生机器人技术简介 定义 分类 特点 国内外研究情况 目前存在难题 发展方向 仿生机器人定义 模仿自然界中生物的外形、运动原理或行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。返回首页按照所模仿对象进行分类 仿人，包括仿人的机械臂和仿人步行。 仿生物。 生物机器人。返回首页仿生机器人特点 多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂。 其驱动方式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。返回首页仿生机器人国内外研究情况 水下仿生机器人 空中仿生机器人 地面仿生机器人 仿人机器人 生物机器人返回首页水下机器人 无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器

2、人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。 无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。水下仿生机器人 机器鱼机器鱼机器鱼机器鱼“自由泳自由泳”“过龙门过龙门”在水中在水中“戏球戏球 ”自主地避开障碍物自主地避开障碍物【最新版机器金枪鱼】 如图所示，这是美国麻省理工学院最新款机器金枪鱼，它柔韧的身体内部整合了1个发动机和6个可移动部件，使其能更好地模拟真实金枪鱼的活动。它的身体是由软聚合体制成，该材料不会受到水的腐蚀作用。 真实的

3、金枪鱼每秒可游动自已体长10倍的距离，而这款机器人仅能每秒游动相当于自身体长的距离。 【“珠宝机器鱼”】 如图所示，2005年10月7日，一位儿童在伦敦水族馆正在观看一个像珠宝一样的机器鱼。不久西班牙海岸将增添4只这样的机器鱼负责巡逻工作，搜寻水中的污染物质。 这种机器鱼体长1.5米（4.9英尺），目前这款由英国艾塞克斯郡大学设计的机器鱼将进一步进行功能性改进。使用时间更长的电池和高级的传感器将使每只机器人可在Gijon湾持续勘测8个小时，能够自动上报勘测位置的变化，并且无线传输勘测数据。 【机器企鹅】 如图所示，机器企鹅可以无需人们的帮助下在池塘中巡游，但并不像真实企鹅那样可以背身反向游动。

4、 机器企鹅是由德国费斯托工程公司设计制造，据悉，该公司主要面向汽车行业出售充气装置。机器企鹅是一款最新型设计，充分结合了该公司的仿生技术。 【机器水母】 如图所示，德国费斯托工程公司设计的机器水母足以让人们大吃一惊，它们通过内置在圆顶结构中的11个红外线发光二极管，可以彼此之间进行沟通联系。该公司使用机器水母测试大规模工程故障是否可以通过许多小型机器人系统协作来完成。 水下仿生机器人的应用 军用方面：战时侦察，收集情报，探雷与灭雷，潜艇战与反潜战，作为诱饵干扰敌方等，同时也可以作为高性能的智能化器或武器平台，直接用于袭击和破坏敌方的港口、水下侦察系统、舰船、海上平台、破坏敌方海上运输线等。查看

5、海水变化，定位并排除水雷。美国美国“水下龙虾水下龙虾”机器人机器人水下仿生机器人的应用美国海军的涡量控制水下无人载器空中仿生机器人 飞行机器人即具有自主导航能力的无人驾驶飞行器,这类机器人活动空间广阔、运动速度快,居高临下不受地形限制.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.固定翼技术已经成熟,其翼展200mm以下不足以产生足够的升力.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,故被称为“人工昆虫”.其特点是将举升、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

6、时间无能源补给及远距离条件下执行任务。海湾战争 1991年爆发了海湾战争，美军首先面对的一个问题就是要在茫茫的沙海中找到伊拉克隐藏的飞毛腿导弹发射器。如果用有人侦察机，就必须在大漠上空往返飞行，长时间暴露于伊拉克军队的高射火力之下，极其危险。为此，无人机成了美军空中侦察的主力。在整个海湾战争期间，“先锋”无人机是美军使用最多的无人机种，美军在海湾地区共部署了6个先锋无人机连，总共出动了522架次，飞行时间达1640小时。那时，不论白天还是黑夜，每天总有一架先锋无人机在海湾上空飞行。为了摧毁伊军在沿海修筑的坚固的防御工事，2月4日密苏里号战舰乘夜驶至近海区，先锋号无人机由它的甲板上起飞，用红外侦

7、察仪拍摄了地面目标的图像并传送给指挥中心。几分钟后，战舰上的406毫米的舰炮开始轰击目标，同时无人机不断地为舰炮进行校射。之后威斯康星号战舰接替了密苏里号，如此连续炮轰了三天，使伊军的炮兵阵地、雷达网、指挥通信枢纽遭到彻底破坏。在海湾战争期间，仅从两艘战列舰上起飞的先锋无人机就有151架次，飞行了530多个小时，完成了目标搜索、战场警戒、海上拦截及海军炮火支援等任务。在海湾战争中，先锋无人机成了美国陆军部队的开路先锋。它为陆军第7军进行空中侦察，拍摄了大量的伊军坦克、指挥中心、及导弹发射阵地的图像，并传送给直升机部队，接着美军就出动“阿帕奇”攻击型直升机对目标进行攻击，必要时还可呼唤炮兵部队进

8、行火力支援。先锋机的生存能力很强，在319架次的飞行中，仅有一架被击中，有45架由于电磁干扰而失事。除美军外，英、法、加拿大也都出动了无人机。如法国的“幼鹿”师装备有一个“马尔特”无人机排。当法军深入伊境内作战时，首先派无人机侦察敌情，根据侦察到的情况，法军躲过了伊军的坦克及炮兵阵地。空中仿生机器人举例 美国机器蝇 法国机器鸟返回首页机器苍蝇的体重只有六十毫克，翼展也仅仅有三厘米，它是典型的仿生学产品，其飞行运动原理和真的苍蝇非常相似，在哈佛大学完成了它的首飞。当机器人学家第一次看到他们的作品开始运动和具有“生命”时，没有其他比在此时更具有价值的时刻了。而罗伯特伍德，就在一年前的此时，当罗伯特

9、伍德的第一双人工翅膀展翅飞翔的时候，这种初为人父般的骄傲来临了。事情源于罗伯特伍德在坚持薄翼式机器人，它使用两个绷紧的钢丝。接下来罗伯特伍德接通了外部电源。使用几毫秒碳纤维作为翅膀，大约有15毫米的长度，它每秒可以来回扑扇120次，就像一个实际的昆虫在来回扑扇着翅膀。苍蝇机器人沿着由电线定好的轨道直线起飞。据罗伯特伍德所知，这是首次能够飞行的昆虫般大小的机器人。1返回机器鸟是一种外形酷似鹰的遥控飞行器，希望它能在机场上吓跑其他鸟类，防止事故发生。但其效果有待时间检验。GreenX这是一种名为GreenX的机器鸟，外形酷似鹰，地面人员像遥控飞机一样指挥机器鸟的飞行。它们可以在空中滑翔、俯冲或者急

10、速扇动翅膀，鸟类的所有动作，机器鸟都能完成。返回仍然是一个挑战 要达到稳定、自由地飞行，需要缩小并安装个装置：传感器、控制器和电源。目前，一些实验室和公司共同在开发一套灵感来自于生物知觉的系统，即可以控制机器人自身飞行姿态和简单动作的传感器。我的前任导师费林受其启发，在伯克利加利福尼亚大学微型系统仿生实验室发明了能够探测视野的陀螺仪和传感器。在华盛顿特区的，已经研制出重量小于克的视觉传感 器，以协助飞行机器人导航。 苍蝇可以实现所谓“眼跳”的跳跃飞行，因为它有一个迅速反应的神经系统。在苍蝇体内，神经冲动无须通过中枢神经系统，而是直接由内部反馈传感器控制飞行肌。我们目前正在研究可行的办法来效仿这

11、一系统，即让一些姿态传感器来辨别方向并直接控制执行机构。 而如何将电源放置在机器人上是我们面临的又一挑战。安装在苍蝇机器人上的电池虽然体积极小，但所需的能量密度很高，当今最好的缩小版锂电池重约毫克，占飞行机器人重量的一半，可以飞行分钟。为了延长飞行时间，我们不得不增加电池的能量密度，可能在机器人背部安装微型太阳能电池板或将机器人机翼的振动转换成电能。 现在，我们已把注意力转向低功耗和分散控制算法上。其次， 开始考虑借助大自然的力量。令人惊叹地是，自然界中的昆虫在完成某项任务的过程中，仅仅使用了简单的法则和最小限度的沟通，比如白蚁能搭建一个超出其自身体积数百万倍的结构。为此我们相信，研究和模仿昆

12、虫的行为，可以帮助我们改进算法，我们的机器人最终可以被用来作为工具，由成群的简单机器人去完成复杂的任务。 尽管是一些基本的控制算法，我们仍然期待微型机器人作为一个特定的移动传感器网络，能扮演和履行各种各样的角色，包括搜索与救援、危险环境中的监测、完成侦察任务乃至行星探测等。我们预测：在微型机器人机翼上安装智能传感器不再是一个遥远的梦，一个完全自主的昆虫机器人年内将在实验室条件下飞翔。届时，人们将看到这些机器人在我们的日常生活中出现。令人惊叹地是，自然界中的昆虫在完成某项任务的过程中，仅仅使用了简单的法则和最小限度的沟通，比如白蚁能搭建一个超出其自身体积数百万倍的结构。为此我们相信，研究和模仿昆

13、虫的行为，可以帮助我们改进算法，我们的机器人最终可以被用来作为工具，由成群的简单机器人去完成复杂的任务。 尽管是一些基本的控制算法，我们仍然期待微型机器人作为一个特定的移动传感器网络，能扮演和履行各种各样的角色，包括搜索与救援、危险环境中的监测、完成侦察任务乃至行星探测等。我们预测：在微型机器人机翼上安装智能传感器不再是一个遥远的梦，一个完全自主的昆虫机器人年内将在实验室条件下飞翔。届时，人们将看到这些机器人在我们的日常生活中出现。地面仿生机器人 蛇形机器人 爬壁机器人 机器狗机器人返回返回蛇形机器人返回返回 英国伦敦大学的计算机专家目前正在开发一种低成本的军事侦察机器人，这种无轮的蛇形机器人

14、拥有一套根据“适者生存”法则开发的智能软件，可以帮助它在战场上受伤或损坏关键“肌肉”的部位进化，不会影响它继续前进。研究人员还为它设计了可传送高质量图像和声音的变形天线。据8月21日出版的新科学家杂志报道，这种蛇型机器人是由一根根类似椎骨的标准组件环环相扣而成，每根椎骨上有三条单独的“肌肉”，这些“肌肉”由一种叫做镍钛诺的金属丝制成，这种非磁性合金具有形状记忆的特殊功能，当有电流通过时，镍钛诺的晶体结构会收缩，一旦断电，它又能恢复到以前的形状。研究人员将蛇形机器人的部分“肌肉”接上电源，以使其朝特定的方向移动。切断电流后，“肌肉”反弹，机器人就会跳动着前进。 研究人员说，使机器人像蛇一样扭动前

15、行的程序设计非常简单，但是要确保其“肌肉”受伤后还能移动就需要动动脑筋了。研究小组负责人彼得本特利根据“适者生存”的遗传法则设计了一套软件，帮助蛇形机器人不断进化，进行自我完善。这套程序特别之处就在于20条数字染色体，每条染色体都有一个任意的起始二进制数字与一条“肌肉”相对应，1代表“肌肉”活化，0代表“肌肉”僵滞，这样，“肌肉”的活化与僵滞就进入一个循环状态。由于不同的染色体决定着蛇形机器人不同的运动方式，根据机器人需要前进的距离远近，“适者生存”法则将对所有的染色体进行测试，测试情况最好的两条染色体被保存下来，剩余的则重新混合在一起，或使其随意变异。然后研究人员将测试过程再次重复，这样经过

16、好几代演化，使染色体控制的“肌肉”达到最终的稳定表现状态。 爬壁机器人返回首页NINJA 基于范德华力的仿生壁虎脚掌吸附式(干性粘剂-人造仿生壁虎脚) 大量的微精细刚毛保证了壁虎脚掌与接触面的充分接触，从而产生 强大的黏附力人工智能机器狗人工智能机器狗“爱宝爱宝”（AiboAibo） 索尼公司最新推出的新一代人工智能索尼公司最新推出的新一代人工智能机器狗机器狗“爱宝爱宝”（AiboAibo），借鉴了美），借鉴了美国畅销玩具国畅销玩具“跳舞鸡跳舞鸡”ElmoElmo（Chicken Chicken Dance ElmoDance Elmo）的）的“聪明聪明”和和“可爱可爱”（新型（新型“爱宝爱宝

17、”狗也能像狗也能像“跳舞鸡跳舞鸡”一样跟着音乐节奏而一样跟着音乐节奏而“翩翩起舞翩翩起舞”）。 新一代新一代“爱宝爱宝”机器狗能够与机器狗能够与MP3 MP3 、WAV WAV 和和Windows Media Windows Media 文件格式兼容。文件格式兼容。索尼公司在索尼公司在19991999年，将第一代人工智年，将第一代人工智能机器狗能机器狗“爱宝爱宝”首次推向市场。首次推向市场。 宠物宠物“小狗小狗”的主人们可以通过个人计算的主人们可以通过个人计算机，在无线环境下完成控制、编程以及导机，在无线环境下完成控制、编程以及导航操作。而软件系统的更新改进，加快了航操作。而软件系统的更新改进

18、，加快了机器狗爱宝机器狗爱宝“头脑头脑”的反应时间，使它能的反应时间，使它能够更好地执行主人们的声音指令，够更好地执行主人们的声音指令， 索尼公索尼公司如此表示。新一代司如此表示。新一代“爱宝爱宝”还装有一个还装有一个与微软公司与微软公司Outlook Outlook 软件兼容的日程安排软件兼容的日程安排程序，因此，这只机器狗可以及时地提醒程序，因此，这只机器狗可以及时地提醒它的主人们它的主人们，不要忘记约会的时间。不要忘记约会的时间。 由于增加了由于增加了“视频摄像视频摄像”（video-video-recording recording ）功能，新一代）功能，新一代“爱宝爱宝”机器狗现在还

19、能够行使机器狗现在还能够行使“看门狗看门狗”的的职责，来做为职责，来做为“看守看守”使用。当屋子使用。当屋子的主人不在家时，的主人不在家时，“爱宝爱宝”可以自动可以自动捕捉拍摄室内所有的运动画面（例如捕捉拍摄室内所有的运动画面（例如移动的物体或陌生人）。此外，移动的物体或陌生人）。此外，“爱爱宝宝”的眼部装有的眼部装有CMOS CMOS 照相机，使得这照相机，使得这只只“小狗小狗”能够拍摄照片，并将拍摄能够拍摄照片，并将拍摄到的图像照片通过电子邮件传送到主到的图像照片通过电子邮件传送到主人们的计算机里或手机里。人们的计算机里或手机里。 最成功的四足机器人BigDog仿人机器人 模仿人的形态和行

20、为而设计制造的机器人就是仿人机器人，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。中国科技大学陈小平教授介绍，机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状，如运用于工业的机械臂、轮椅机器人、步行机器人等。而仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。从机器人技术和人工智能的研究现状来看，要完全实现高智能，高灵活性的仿人机器人还有很长的路要走，而且，人类对自身也没有彻底地了解，这些都限制了仿人机器人的发展返回首页日本双足机器人 日本本田和大阪大学联合研制的P1,P2,P3型仿人步行机器人。 在P3基础上研制了ASIMO智能机器人（1.2m,43

21、kg,)爬楼梯，6km/h奔跑，声音识别，通过头部照相机捕捉画面识别人类各种手势和10种脸型。返回TMSUK04 T5 http:/www.tmsuk.co.jp/jap/index.html遠端操控1993年1月開発 1996年1月開発 1997年開発 1999年開発T5 2000年開発TMSUK04-2 株式会社 危険地域（工事現場災害現場） 滅火!2000年前后，日本年前后，日本SONY、丰田、本田、富士通等公、丰田、本田、富士通等公司开发并展示了一系列类人型机器人产品，具备了较高司开发并展示了一系列类人型机器人产品，具备了较高的水平。的水平。 SDR-4X(Sony Dream Rob

22、ot)http:/www.watch.impress.co.jp/pc/docs/2002/0320/sony.htm1994 P1ASIMO SDR 2000P31997 P2PS: Prototype =原形 ASIMO= short for Advanced Step in Innovative Mobility 1996公開發表震撼機械人學界! 1988年国防科技大学研制成功了六关节平面运动型双年国防科技大学研制成功了六关节平面运动型双足步行机器人。足步行机器人。2000年，我国第一台类人型机器人在国防科大研制成年，我国第一台类人型机器人在国防科大研制成功。功。目前，国内也有较成熟的类

23、人型机器人产品。目前，国内也有较成熟的类人型机器人产品。 Nao机器人机器人法国法国Aldebaran-Robotics 公司的产品。公司的产品。RoboCup机器人世界杯的标准平台组比赛用机器人。 有视觉、听觉和姿态传感，能感知外部环境和自身姿有视觉、听觉和姿态传感，能感知外部环境和自身姿态。态。 它可在它可在 Linux、微软或、微软或 MacOS 等多种平台上编程开等多种平台上编程开发。发。价格约为十多万人民币。价格约为十多万人民币。机器人综合特性参数：机器人综合特性参数：体型特征：体型特征：身 高：58公分体 重：4.3 Kg身体类型：工业塑料能耗：能耗： 电 源：AC 90-230

24、V/DC 24 V电池容量：充电后使用45min，可反复使用400次以上。自由度：自由度：共计共计25 自由度自由度头 部：2 自由度手 臂：5 自由度 * 2 只骨 盆：1 自由度腿 部：5 自由度 * 2 只手： 1 自由度 * 2 只多媒体：多媒体：扬声器：2 只扬声器扩音器： 4 只话筒视 觉：2 只CMOS数字摄像头 声纳声纳 Nao的躯干上安装了两的躯干上安装了两对超声波发射器和接收器，对超声波发射器和接收器，这样，这样，Nao就可以了解到周就可以了解到周围是否有障碍物以及障碍物围是否有障碍物以及障碍物的数量。的数量。 红外传感器红外传感器 安装在安装在Nao眼睛里的眼睛里的红外线

25、发射器和接收器可红外线发射器和接收器可以使以使Nao连接至其周围的连接至其周围的物体，作为远程控制。物体，作为远程控制。（直线传输）（直线传输） 碰撞传感器碰撞传感器 如果障碍物过低而无法被如果障碍物过低而无法被胸前的探测器探测到（例如台胸前的探测器探测到（例如台阶、地上的物体等），那么位阶、地上的物体等），那么位于于NaoNao脚尖的机械碰撞传感器脚尖的机械碰撞传感器会首先碰触到障碍物并把这一会首先碰触到障碍物并把这一信息传送给信息传送给NaoNao。这样，。这样，NaoNao就就可以试着绕开这个障碍物。可以试着绕开这个障碍物。 电容式传感器电容式传感器 Nao的头顶上配备了一个的头顶上配备

26、了一个电容式传感器。这样，可以电容式传感器。这样，可以通过触摸向通过触摸向Nao传递信息。传递信息。例如，要责备例如，要责备Nao时，可以时，可以简单按几下。简单按几下。 NAO的通信与交流方式的通信与交流方式 Nao可以通过红外线进行远程控制。可以通过红外线进行远程控制。Nao也也可以通过可以通过Wi-Fi来连接无线，来连接无线，Nao还可以通过语音还可以通过语音识别进行进行简单的命令接收和交流。识别进行进行简单的命令接收和交流。 机器人相扑比赛机器人相扑比赛 最近日本日本举行了第五届ROBO-ONE机器人相扑机器人相扑大会，2月1日总决赛结束。这次大会在日本日本科学未来馆举行，共有129台

27、机器人机器人申请参赛，最终有101台机器人机器人在擂台上一决胜负。用两足步行机器人机器人进行相扑相扑比赛，对机器人机器人的动作协调性、平衡能力都是极大的考验，当然多数参赛选手都专门针对比赛进行了优化。生物机器人 生物机器人是指利用动物体的运动机能!动力供应体制 从动物运动的感受传入或神经支配入手实现对动物的运动和某些行为的人为控制从而利用动物特长代替人类完成人所不能和人所不敢的特殊任务 利用生物控制技术研制生物机器人始于上世纪90年代 是电子信息技术!微制造技术和生物科学高度发展与相互融合的产物是目前科技发展最活跃的领域之一。返回首页生物机器人的研制展望 生物机器人与一般的工业机器人仿生机器人

28、相比 有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性，但是由于受到生物学神经学技术控制技术通讯技术传感技术以及数学方法等相关学科发展的制约 。 至今基本上仍处于实验室研制的阶段尤其是在克服，生物疲劳性适应性以及可靠实现预期运动行为等方面还不是十分理想 ，离实际应用还有相当长的一段距离。 此外生物机器人也不应仅局限于控制生物的运动行为还应该研究如何通过生物的视觉!触觉和听觉来为人类服务。根据目前国内外研究现状未来生物机器人的主攻方向笔者认为应包括以下几方面。生物学和神经学的发展科学家们在研究生物运动行为过程中发现在生物体内植入电极后即使生物可存活较长时间但在多次重复刺激后生物就会产生疲劳效应和适应性这不

29、利于执行长线任务如在蟑螂体内植入电极后控制蟑螂沿直线方向行走时常常会在后期发生蟑螂走偏现象另外在控制老鼠运动行为时科学家们发现老鼠出于对危险的本能在某种条件下必须加大刺激强度才能令老鼠实现某种运动行为有时即使加大刺激强度也无法达到预期目标这些事实表明人们对生物运动行为的机理了解得还不十分透彻还需要进一步探索生物运动系统的神经控制网络深入研究生物运动的调控机理相信随着生物学和神经学的发展科学家会找到更有效的控制策略从而实现生物运动行为的可靠控制技术和集成技术的发展 受生物体态和生物负重能力的限制控制生物运动行为的微控制器有严格的尺寸和重量要求在有限的设计空间内需要集刺激发生器!传感器!微型摄像机

30、和电源等元器件于一体 在制备和植入微电极时要求与神经纤维接触良好而与周围组织绝缘 这些严格的要求必须得有高度发展的技术和集成技术作为基础这为技术的发展提出了新的课题控制技术和软件技术的发展 可靠实现生物的运动行为需要有更复杂更精确的控制方法和简约有效的控制算法 。对生物大脑中多个记录电极产生的大量信息要做到可视并实时进行分析识别和处理。 如在试验猴子思维控制机械手臂的运动时在猴脑中植入了片电极为了实 现更复杂的控制运动行为 。科学家们还计划在猴的大脑中植入多达片的记录电极如此巨大的信 息量的处理需要先进的计算机技术和软件支持。仿生机器人发展方向 结构微型化用于小型管道的检测等 可重构机器人（模块化和可重组）-军事侦察、灾害现场调查 实用性服务型机器人 仿生机器人群机器人生产线、无人作战机群 新型仿生原理机器人运动机理的建模、生物行为方式的研究。 智能化：非结构环境下具有普遍实用意义的自主步态规划生成及控制。返回首页机械手在现今的生活上,科技日新月益的进展之下,机械人手