發(fā)布時(shí)間：2022-03-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：仿生機(jī)器人是指依據(jù)仿生學(xué)原理，模仿生物結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性等設(shè)計(jì)的性能優(yōu)越的機(jī)電系統(tǒng)，已逐漸在反恐防爆、太空探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)等不適合由人來承擔(dān)任務(wù)的環(huán)境中凸顯出良好的應(yīng)用前景。按照工作環(huán)境可將仿生機(jī)器人分為陸面仿生機(jī)器人、空中仿生機(jī)器人以及水下仿生機(jī)
摘要：仿生機(jī)器人是指依據(jù)仿生學(xué)原理，模仿生物結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性等設(shè)計(jì)的性能優(yōu)越的機(jī)電系統(tǒng)，已逐漸在反恐防爆、太空探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)等不適合由人來承擔(dān)任務(wù)的環(huán)境中凸顯出良好的應(yīng)用前景。按照工作環(huán)境可將仿生機(jī)器人分為陸面仿生機(jī)器人、空中仿生機(jī)器人以及水下仿生機(jī)器人三類。指出仿生機(jī)器人經(jīng)歷了原始探索、宏觀仿形與運(yùn)動(dòng)仿生、機(jī)電系統(tǒng)與生物性能部分融合三個(gè)階段，并概述三類仿生機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)前研究還存在著生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究不深，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用、驅(qū)動(dòng)及控制方式大多較為傳統(tǒng)、能量利用率低等問題，導(dǎo)致了仿生機(jī)器人從宏觀到微觀與生物都存在較大差異，“形似而神不似”，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際應(yīng)用程度。指出仿生機(jī)器人正向著剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)，仿生結(jié)構(gòu)、材料、驅(qū)動(dòng)一體化，神經(jīng)元精細(xì)控制，高效的能量轉(zhuǎn)換的類生命系統(tǒng)方向發(fā)展。
關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人;剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)材料驅(qū)動(dòng)一體化;類生命系統(tǒng)
0 前言*
當(dāng)今世界上存在的千萬種生物，都是經(jīng)過億萬年的適應(yīng)、進(jìn)化、發(fā)展而來，這使得生物體的某些部位巧奪天工，生物特性趨于完美，具有了最合理、最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、靈活的運(yùn)動(dòng)特性、以及良好的適應(yīng)性和生存能力。自古以來，豐富多彩的自然界不斷激發(fā)人類的探索欲望，一直是人類產(chǎn)生各種技術(shù)思想和發(fā)明創(chuàng)造靈感不可替代、取之不竭的知識(shí)寶庫和學(xué)習(xí)源泉。道法自然，向自然界學(xué)習(xí)，采用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)、研制新型的機(jī)器、設(shè)備、材料和完整的仿生系統(tǒng)，是近年來快速發(fā)展的研究領(lǐng)域之一[1-2]。
仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、數(shù)學(xué)與力學(xué)、信息科學(xué)、工程技術(shù)以及系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科[3]。1960 年 9 月，第一次世界仿生學(xué)大會(huì)在美國俄亥俄州的空軍基地召開。此后幾十年中，世界各國競相展開仿生技術(shù)研究，仿生學(xué)理論和技術(shù)迅速發(fā)展，新的仿生原理和仿生裝備不斷涌現(xiàn)[4]。我國在 2003 年召開了兩屆香山會(huì)議，即第 214 屆“飛行和游動(dòng)生物力學(xué)和仿生應(yīng)用”和第 220 屆“仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿”。此后，又分別在 2010 年和 2011 年召開了第 387 屆“分子仿生”、第 395 屆“高效降解生物質(zhì)的自然生物系統(tǒng)資源利用與仿生”以及第 411 屆“仿生材料與器件：結(jié)構(gòu)、力學(xué)與功能”三屆香山會(huì)議。為促進(jìn)仿生學(xué)科的發(fā)展，由吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合 15 個(gè)國家的仿生學(xué)者牽頭發(fā)起成立了“國際仿生工程學(xué)會(huì)”，學(xué)會(huì)秘書處設(shè)在中國。這是國際學(xué)術(shù)界對(duì)我國仿生工程研究水平和學(xué)術(shù)地位的認(rèn)可。
仿生學(xué)研究的內(nèi)容包括力學(xué)仿生、分子仿生、信息與控制仿生、能量仿生等。其中，力學(xué)仿生主要研究生物的宏觀結(jié)構(gòu)性能，包括生物的靜力學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性;分子仿生主要研究生物的微觀特性，包括生物體內(nèi)酶的催化作用、生物膜的選擇性等;信息與控制仿生主要研究生物對(duì)信息的處理過程，包括生物的感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等;能量仿生主要是對(duì)生物體內(nèi)能量轉(zhuǎn)換過程和新陳代謝進(jìn)行研究，包括生物肌肉的能量轉(zhuǎn)換、生物器官的發(fā)光等。仿生學(xué)的研究一般可分為以下三步：① 對(duì)生物原型和生物機(jī)理進(jìn)行研究;② 將生物模型用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行表示;③ 根據(jù)數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行試驗(yàn)的實(shí)物模型[5]。
仿生機(jī)器人是仿生學(xué)與機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用需求的結(jié)合產(chǎn)物。從機(jī)器人的角度來看，仿生機(jī)器人則是機(jī)器人發(fā)展的高級(jí)階段[6]。生物特性為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了許多有益的參考，使得機(jī)器人可以從生物體上學(xué)習(xí)如自適應(yīng)性、魯棒性、運(yùn)動(dòng)多樣性和靈活性等一系列良好的性能[7]。仿生機(jī)器人按照其工作環(huán)境可分為陸面仿生機(jī)器人、空中仿生機(jī)器人和水下仿生機(jī)器人三種。此外，還有一些研究機(jī)構(gòu)研究出水陸兩棲機(jī)器人[8-9]、水空兩棲機(jī)器人[10]等具有綜合用途的仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人同時(shí)具有生物和機(jī)器人的特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸在反恐防爆、探索太空、搶險(xiǎn)救災(zāi)等不適合由人來承擔(dān)任務(wù)的環(huán)境中凸顯出良好的應(yīng)用前景[11]。
國家自然科學(xué)基金委員會(huì)(以下簡稱“NSFC”) 非常重視對(duì)仿生機(jī)器人項(xiàng)目的培育、優(yōu)選和資助工作。目前，該領(lǐng)域的項(xiàng)目申請(qǐng)主要集中在機(jī)械工程學(xué) 科 (E05 代 碼 ) 的 E0501( 機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人 ) 和 E0507(機(jī)械仿生學(xué))2 個(gè)方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止目前， NSFC 在 E05 方向共資助面上項(xiàng)目 137 項(xiàng)，資助經(jīng)費(fèi) 7 460 萬元;資助國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目 2 項(xiàng)，資助經(jīng)費(fèi) 160 萬元;資助青年科學(xué)基金項(xiàng)目 81 項(xiàng)，資助經(jīng)費(fèi) 1 876.4 萬元;資助重大項(xiàng)目 1 項(xiàng)，資助經(jīng)費(fèi) 1 500 萬元;資助重點(diǎn)項(xiàng)目 8 項(xiàng)，資助經(jīng)費(fèi) 1 590 萬元;資助地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目 3 項(xiàng)，資助經(jīng)費(fèi) 150 萬元。特別是近年來，資助力度有較大增長。
1 仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀
仿生機(jī)器人的出現(xiàn)很好地體現(xiàn)了仿生應(yīng)用的理念。如圖 1 所示，人類最早進(jìn)行了陸面仿生機(jī)器人的探索，如中國三國時(shí)期的木牛流馬以及 1893 年由 Rygg 設(shè)計(jì)的機(jī)械馬[12];其次，進(jìn)行了空中仿生機(jī)器人探索，最早模仿鳥類的飛行進(jìn)行撲翼飛行器設(shè)計(jì)，1485 年達(dá)芬奇設(shè)計(jì)的撲翼飛機(jī)圖紙是世界上第一個(gè)按照技術(shù)規(guī)程進(jìn)行的設(shè)計(jì);最后，是水下仿生機(jī)器人的探索。縱觀仿生機(jī)器人發(fā)展歷程，到現(xiàn)在為止經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段是原始探索時(shí)期，該階段主要是生物原型的原始模仿，如原始的飛行器，模擬鳥類的翅膀撲動(dòng)，該階段主要靠人力驅(qū)動(dòng)。至 20 世紀(jì)中后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)以及驅(qū)動(dòng)裝置的革新，仿生機(jī)器人進(jìn)入到第二個(gè)階段，宏觀仿形與運(yùn)動(dòng)仿生階段。該階段主要是利用機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)諸如行走、跳躍、飛行等生物功能，并實(shí)現(xiàn)了一定程度的人為控制。進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著人類對(duì)生物系統(tǒng)功能特征、形成機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人進(jìn)入了第三個(gè)階段，機(jī)電系統(tǒng)開始與生物性能進(jìn)行部分融合，如傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與仿生材料的融合以及仿生驅(qū)動(dòng)的運(yùn)用。當(dāng)前，隨著生物機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入、智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人正向第四個(gè)階段發(fā)展，即結(jié)構(gòu)與生物特性一體化的類生命系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)仿生機(jī)器人不僅具有生物的形態(tài)特征和運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)具備生物的自我感知、自我控制等性能特性，更接近生物原型。如隨著人類對(duì)人腦以及神經(jīng)系統(tǒng)研究的深入，仿生腦和神經(jīng)系統(tǒng)控制成為了該領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的前沿方向。
我國仿生研究起步較晚，近 30 年來在 NSFC 的大力資助下，經(jīng)歷了跟蹤國外研究、模仿國外成果到局部領(lǐng)域齊頭并進(jìn)三個(gè)階段。如北京航空航天大學(xué)孫茂教授利用Navier-Stokes方程數(shù)值解和渦動(dòng)力學(xué)理論研究了模型昆蟲翼作非定常運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)力特性，解釋了昆蟲產(chǎn)生高升力的機(jī)理，為微型仿生撲翼飛行器的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)，在國際昆蟲撲翼飛行機(jī)理研究方面占有一席之地[13]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宏教授研制的類人五指靈巧手，能靈活運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行物品的抓取，技術(shù)指標(biāo)與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)[14]。
今天，仿生機(jī)器人種類繁多，本文主要針對(duì)陸面仿生機(jī)器人、空中仿生機(jī)器人、水下仿生機(jī)器人領(lǐng)域中的部分典型研究工作進(jìn)行介紹與分析。
1.1 陸面仿生機(jī)器人
在自然界中，陸面生物的運(yùn)動(dòng)方式多種多樣，有雙足運(yùn)動(dòng)方式，如人類;有多足爬行方式，如狗、壁虎等;有無足移動(dòng)方式，如蛇類;有跳躍方式，如袋鼠、青蛙、蝗蟲等。研究人員從這些生物的組織結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等方面得到啟發(fā)，進(jìn)行了陸面仿生機(jī)器人的研究。主要有仿人機(jī)器人、仿生多足移動(dòng)機(jī)器人、仿生蛇形機(jī)器人和仿生跳躍機(jī)器人等。
1.1.1 仿人機(jī)器人
仿人機(jī)器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移動(dòng)、感知、操作、學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、情感交流等功能的智能機(jī)器人，可以適應(yīng)人類的生活和工作環(huán)境。這是一個(gè)融合機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、傳感及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等多門學(xué)科的高難度研究方向，是各類新型控制理論和工程技術(shù)的研究平臺(tái)，也是目前仿生機(jī)器人技術(shù)研究中具有挑戰(zhàn)性的難題之一。仿人機(jī)器人的研究可以推動(dòng)仿生學(xué)、人工智能學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，因此具有重要的研究價(jià)值和意義。
如圖 2 所示，仿人機(jī)器人經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，從最初的單元功能實(shí)現(xiàn)，僅模仿人進(jìn)行簡單行走，發(fā)展到能初步感知外界環(huán)境的低智能化，再到現(xiàn)在集成視覺、觸覺等多項(xiàng)技術(shù)并能根據(jù)外界環(huán)境變化作出自身調(diào)整，完成多項(xiàng)復(fù)雜任務(wù)的擬人化、高智能化系統(tǒng)。
仿人機(jī)器人的研制開始于 20 世紀(jì) 60 年代末的雙足步行機(jī)器人。日本早稻田大學(xué)首先展開了該方面的研究工作[15]，其研制的 WAP、WL以及 WABOT系列機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)基本行走功能。在此期間，日本、美國、歐盟、韓國等國家的多家機(jī)構(gòu)均進(jìn)行了仿人形機(jī)器人的研究探索工作，并取得了許多突破性的成果，如美籍華人鄭元芳博士 1986 年研制出了美國第一臺(tái)雙足步行機(jī)器人 SD-1 以及其改進(jìn)版 SD-2[16]。該階段主要還是側(cè)重實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能，并能實(shí)現(xiàn)一定程度的控制。進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著傳感以及智能控制技術(shù)的發(fā)展，仿人機(jī)器人具有一定的感知系統(tǒng)，能獲取外界環(huán)境的簡單信息，可做出簡單的判斷并相應(yīng)調(diào)整自己的動(dòng)作，使得運(yùn)動(dòng)更加連續(xù)流暢。如本田公司于 2000 年研發(fā)的仿人形機(jī)器人“ASMIO2000”不僅具有人的外觀，還可以事先預(yù)測(cè)下一個(gè)動(dòng)作并提前改變重心，因此轉(zhuǎn)彎時(shí)的步行動(dòng)作連續(xù)流暢，行走自如，是第一個(gè)具有世界影響力的仿人形機(jī)器人[17]。索尼公司 2003 年推出的“QRIO”機(jī)器人首次實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)器人的跑動(dòng)[18]。其后，法國的“BIP2000”機(jī)器人[19]、索尼公司的“SDR”系列機(jī)器人[20]、日本 JVC 公司研制的“J4”機(jī)器人、韓國的“HUBO”機(jī)器人[21]，實(shí)現(xiàn)了諸如站立、上下樓梯、跑步、做操等復(fù)雜動(dòng)作。
隨著控制理論的發(fā)展與控制技術(shù)的進(jìn)步，仿人機(jī)器人智能性更強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)作更復(fù)雜，運(yùn)行更穩(wěn)定，且能根據(jù)環(huán)境的改變和它自身的判斷結(jié)果自動(dòng)確定與之相適應(yīng)的動(dòng)作。如本田 2011 年發(fā)布的 “ASIMO2011”機(jī)器人(圖 3)，綜合了視覺和觸覺的物體識(shí)別技術(shù)，可進(jìn)行細(xì)致作業(yè)，如拿起瓶子擰開瓶蓋，將瓶中液體注入柔軟紙杯等，還能依據(jù)人類的聲音、手勢(shì)等指令，來從事相應(yīng)動(dòng)作，此外，還具備了基本的記憶與辨識(shí)能力[22]。2013 年美國波士頓動(dòng)力公司研制的“ATLAS”機(jī)器人(圖 4)是當(dāng)前仿人形機(jī)器人的一個(gè)代表，除了具有人形外觀，還具備了人類簡單的識(shí)別、判斷以及決策功能，是一款具有較高智能化的類人機(jī)器人。該機(jī)器人能在傳送帶上大步前進(jìn)，躲開傳送帶上突然出現(xiàn)的木板，能從高處跳下穩(wěn)穩(wěn)落地，能兩腿分開從陷阱兩邊走過，能單腿站立，被從側(cè)面而來的球重撞而不倒[23]。該公司開發(fā)的另一款用于美軍檢驗(yàn)防護(hù)服性能的軍用機(jī)器人“Petman”(圖 5)，除了具有較高靈活度外，還能調(diào)控自身的體溫、濕度和排汗量來模擬人類生理學(xué)中的自我保護(hù)功能，已經(jīng)一定程度上具有了人類的生理特性[24]。
仿人機(jī)器人另一個(gè)研究方向就是仿人手臂和靈巧手指的研究。從最初的外觀仿形并實(shí)現(xiàn)簡單運(yùn)動(dòng)階段發(fā)展到現(xiàn)在集運(yùn)動(dòng)感知于一體，并能實(shí)現(xiàn)類似人手諸如抓取等細(xì)微操作的機(jī)電系統(tǒng)。美國加利福尼亞大學(xué) TOMOVIC 等[25]于 1962 年針對(duì)傷寒病患者設(shè)計(jì)的“Belgrade”被認(rèn)為是世界上最早靈巧手，只能實(shí)現(xiàn)簡單動(dòng)作。SALISBURY 等[26]于 1982 年設(shè)計(jì)的“Stanford/JPL”仿人手首次完整引入了位置、觸覺、力等傳感功能，開創(chuàng)了多指手實(shí)際抓取操作的先河，是當(dāng)時(shí)乃至現(xiàn)在都很具有代表性的機(jī)械手。此后，機(jī)械手朝著更加靈活，更加智能的方向發(fā)展。2010 年德國宇航中心 DLR 研制的手-臂聯(lián)合系統(tǒng)“Hasy”機(jī)械手臂(圖 6)，總共具有 21 個(gè)自由度，是第一個(gè)采用仿生學(xué)關(guān)節(jié)進(jìn)行手指設(shè)計(jì)的多指靈巧手，手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模仿人手進(jìn)行面接觸滑動(dòng)而不是單純的轉(zhuǎn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)特性與人類手指更加接近[27]。國內(nèi)仿人形機(jī)器人研究起步較晚，2000 年國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“先行者”(圖 7)是我國第一臺(tái)仿人形機(jī)器人[28]。其后，北京理工大學(xué)于 2002 年研制的仿人機(jī)器人“BHR”(圖 8)，突破了系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無外接電纜的行走，可在未知地面上穩(wěn)定行走且能實(shí)現(xiàn)太極拳表演等復(fù)雜動(dòng)作[29]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制開發(fā)的“HIT”系列雙足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了靜步態(tài)和動(dòng)步態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作[30]。清華大學(xué)研制開發(fā)的仿人機(jī)器人“THBIP”(圖 9)采用獨(dú)特傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)無纜連續(xù)穩(wěn)定地平地行走、連續(xù)上下臺(tái)階行走以及端水、太極拳和點(diǎn)頭等動(dòng)作[31]。北京理工大學(xué) 2011 年研制成功的“匯童 5” 仿人機(jī)器人(圖 10)，代表了我國現(xiàn)階段仿人機(jī)器人的最高水平，具有視覺、語音對(duì)話、力覺、平衡覺等功能，突破了基于高速視覺的靈巧動(dòng)作控制、全身協(xié)調(diào)自主反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)，成為具有“高超”運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人健將[32]，此外，浙江大學(xué)也進(jìn)行了仿人機(jī)器人的研制，通過軌跡預(yù)判的方法提高了機(jī)器人對(duì)復(fù)雜情況的處理能力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人打乒乓球的運(yùn)動(dòng)[33]。
在仿人手臂與靈巧手指方面的研究，北京航空航天大學(xué)的研究開展較早，1993 研制成功了我國第一只三指手“BUAA-I”，其隨后改進(jìn)版本“BUAA-II” 型和“BUAA-III”型三指手相繼問世。上海交通大學(xué)從 2005 年開始進(jìn)行基于腦電的機(jī)械手臂操作研究，著重研究如何提高假肢手的操作功能和操作靈巧性，開發(fā)功能更先進(jìn)的生物/機(jī)械系統(tǒng)接口[34]，在此基礎(chǔ)上研制了具有“仿人手”功能的新一代假肢手(圖 11)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德國 DLR 聯(lián)合研制的類人五指靈巧手“HIT/DLR Hand”(圖 12)，具有多感知能力，運(yùn)動(dòng)靈活，抓取過程仿人化，能夠完成正向捏取、三指捏取、柱狀抓取等人手大部分抓取功能[14,35]。
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目前仿人機(jī)器人研究已在諸如關(guān)鍵機(jī)械單元、整體運(yùn)動(dòng)、動(dòng)態(tài)視覺等多方面取得了突破，但是與人運(yùn)動(dòng)的靈巧性和控制的自主性相比還相差很遠(yuǎn)。仿人機(jī)器人的最終發(fā)展目標(biāo)不僅是外形及運(yùn)動(dòng)方式模仿人，而且思維方式和行為方式也接近人，能夠通過與環(huán)境的交互不斷獲取新的知識(shí)，能自主完成各種任務(wù)，還能自己適應(yīng)結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境。
1.1.2 仿生多足移動(dòng)機(jī)器人
仿生多足移動(dòng)機(jī)器人的靈感來源于自然界的爬行生物。研究人員從狗、壁虎、螃蟹、蟑螂等爬行生物上獲得靈感，進(jìn)行結(jié)構(gòu)模仿設(shè)計(jì)。因其具有良好的地形適應(yīng)能力，近 20 年來一直是一個(gè)非常活躍的研究領(lǐng)域，受到世界各研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。經(jīng)過幾十年的探索，仿生多足移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)與控制均得到較大發(fā)展，從單一模仿生物移動(dòng)發(fā)展到具有智能控制和良好的環(huán)境感知能力，更接近生物原型的移動(dòng)機(jī)器人。
20 世紀(jì) 60 年代中期，通用電器公司研制了四腿式步行機(jī)器人“Mosher”(圖 13)，采用了由人控制的方法模擬四腿生物行走[36]，是仿生多足移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。此后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，能自主控制移動(dòng)的機(jī)器人相繼出現(xiàn)。如日本東京工業(yè)大學(xué)研制的“TITAN”(圖 14)系列四足步行機(jī)器人，具有多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，可在傾斜的樓梯上行走[37]。美國波士頓動(dòng)力公司 2008 年仿大狗研制的“Big dog”機(jī)器人(圖 15)是多足運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的代表，具有環(huán)境感知和良好的適應(yīng)能力，平衡性良好，即使側(cè)面被物體沖擊，也能很快地通過調(diào)整步態(tài)恢復(fù)平衡狀態(tài)。可以爬山坡、過雪地、走石子路，上下樓梯，在光滑的冰上行走，甚至能跳躍跨過單杠，可用于軍方運(yùn)輸[38]。該公司 2013 年最新研制的“獵豹”機(jī)器人(圖 16)能夠沖刺，急轉(zhuǎn)彎，并能突然急剎停止，與生物原型運(yùn)動(dòng)較接近。它的奔跑速度最高可達(dá)到 46 km/h，是目前運(yùn)動(dòng)速度最快的仿生多足移動(dòng)機(jī)器人[39]。
還有學(xué)者基于昆蟲的爬行運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行仿生多足機(jī)器人的開發(fā)。美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)研制的仿蟋蟀爬行機(jī)器人(圖 17)，是仿生昆蟲機(jī)器人中的一個(gè)代表，可以在一定的范圍內(nèi)行走和跳躍，能夠適應(yīng)粗糙地帶，能靈活地進(jìn)行跑動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、避障等[40]。加拿大麥吉爾大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)等機(jī)構(gòu)在美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的資助下，研制了“RHex”系列腿式機(jī)器人(圖18為其中一種)[41]，擁有六條半弧的“彈力腿”，能夠輕松實(shí)現(xiàn)快速行駛、跳躍、騰空翻轉(zhuǎn)和攀爬等動(dòng)作。研究人員還從壁虎能在垂直墻面上行走獲得啟發(fā)研制爬壁機(jī)器人。2010 年美國斯坦福大學(xué)教授 MARK 研制出“StickyBot Ⅲ”仿壁虎機(jī)器人(圖 19)，腳掌采用干性黏附材料，該機(jī)器人從吸附原理、運(yùn)動(dòng)形式都比較接近真實(shí)的壁虎[42]。
兩棲機(jī)器人也是仿生多足爬行機(jī)器人的一個(gè)研究方向，瑞士科學(xué)家 2007 年以蠑螈為模仿對(duì)象研發(fā)出一款機(jī)器人“Salamander”(圖 20)，由 9 節(jié)黃色塑料組成，類似蠑螈的脊髓，軀體上被加上四條腿，可以在水中游弋，也能像爬行動(dòng)物一樣行走。此外還模仿動(dòng)物的脊髓神經(jīng)元，在機(jī)器人上安置了人工神經(jīng)元，通過改變施加在機(jī)器人“脊髓”上的電流剌激實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)的目的[9]。
在國內(nèi)，對(duì)多足爬行機(jī)器人的研究是在 20 世紀(jì) 80 年代末 90 年代初起步的，經(jīng)過了一段時(shí)間的發(fā)展，我國在這方面的技術(shù)也有了長足的進(jìn)步。上海交通大學(xué)研制的關(guān)節(jié)式四足步行機(jī)器人 “JTUWM-III”足底增加了壓力傳感器，采用基于位置和力的混合控制方法，并將模糊算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)應(yīng)用到分布式控制系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的低速動(dòng)態(tài)行走[43]。哈爾濱工程大學(xué)開發(fā)的兩棲仿生機(jī)械蟹每條腿有 3 個(gè)自由度，采用雙四足步態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎和橫行等行走方式，具有多功能性和全方位運(yùn)動(dòng)能力[44]。南京航空航天大學(xué)研制的仿壁虎爬行機(jī)器人(圖 21)，能實(shí)現(xiàn)在豎直墻面上的爬行運(yùn)動(dòng)[45-46]。在 863 計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，山東大學(xué)[47]、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)[48]、上海交通大學(xué)[49]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[50]進(jìn)行了仿生四足步行機(jī)器人的研制，取得一定成果。其中山東大學(xué)研制的利用液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人“SCalf-1”(圖 22)，具有 8 個(gè)俯仰主動(dòng)自由度和 4 個(gè)橫擺主動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)較為穩(wěn)定的步態(tài)行走，最高速度達(dá)到 1.8 m/s[51]。此外，燕山大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所等機(jī)構(gòu)也參與了仿生多足機(jī)器人的研究工作。
當(dāng)前，仿生多足移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)能夠在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走，但還遠(yuǎn)未達(dá)到多足生物那樣的步行機(jī)動(dòng)性和靈活性，存在步行速度低，效率低等問題。進(jìn)一步深入研究仿生多足移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式以及控制算法，提高機(jī)器人的速度和靈活性，同時(shí)融合信息感知與智能控制技術(shù)，提高機(jī)器人的自主性，將是今后的研究重點(diǎn)之一。
1.1.3 仿蛇形機(jī)器人
仿蛇形機(jī)器人由于其細(xì)長的形體結(jié)構(gòu)以及獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式，能夠跨越窄溝和進(jìn)入空洞，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和地面運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，能在人類難以到達(dá)的未知環(huán)境中工作，因此可被廣泛應(yīng)用到科學(xué)探險(xiǎn)，救災(zāi)搶險(xiǎn)、生命搜尋等多個(gè)領(lǐng)域，受到各國科研人員的青睞。經(jīng)過幾十年的研究，仿蛇形機(jī)器人由最初實(shí)現(xiàn)仿蛇的基本運(yùn)動(dòng)發(fā)展到現(xiàn)在不僅能夠?qū)崿F(xiàn)蜿蜒、收縮等多種方式的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，還具有避障、攀爬、翻滾以及水中游動(dòng)等多種功能，并具備一定環(huán)境感知能力。
日本東京工業(yè)大學(xué)最早開始蛇形機(jī)器人的研制，于 1972 年研制了第一臺(tái)仿蛇形機(jī)器人[52]，其后研制的“ACM”系列蛇形機(jī)器人不僅能完成平面蜿蜒運(yùn)動(dòng)，還能夠完成側(cè)向滾動(dòng)、螺旋運(yùn)動(dòng)、近 S 曲線等各種空間運(yùn)動(dòng)，其最新研制的“ACM-R5” 蛇形機(jī)器人(圖 23)，具有三維運(yùn)動(dòng)能力和水陸兩棲功能。其每個(gè)關(guān)節(jié)具有俯仰和偏航兩個(gè)自由度，由人控制遙控操縱桿生成機(jī)器人的陸地側(cè)向翻滾、側(cè)向蜿蜒動(dòng)作以及水下運(yùn)動(dòng)[53]。但是，該機(jī)器人無法在狹小空間諸如管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，為此，該實(shí)驗(yàn)室研制了一種蠕動(dòng)式行進(jìn)的蛇形機(jī)器人“Slim Slime robot”[54] (圖 24)，由 6 個(gè)可伸縮的模塊構(gòu)成，依靠氣動(dòng)引起模塊的伸縮進(jìn)行行走，行進(jìn)速度最高 60 mm/s，拓展了蛇形機(jī)器人的工作空間。該階段，蛇形機(jī)器人的越障能力一直是困擾研究人員的一大難題。針對(duì)該問題，美國密歇根大學(xué) 2005 年成功開發(fā)了一款采用履帶驅(qū)動(dòng)的蛇形機(jī)器人“Omni Tread”(圖 25)，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力并能夠跨越樓梯[55]，提高了仿蛇形機(jī)器人的越障能力。卡耐基梅隆大學(xué)(CMU)研制的一種模塊化蛇形機(jī)器人(圖 26)，由 16 個(gè)模塊組成，能夠在空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)，快速的翻滾，游水以及快速沿著桿以翻滾的姿態(tài)進(jìn)行內(nèi)攀爬和外攀爬。這在進(jìn)行攀爬式蛇形機(jī)器人方面的研究是一個(gè)重大的突破[56]。圖 23 “ACM-R5”機(jī)器人 圖 24“Slim Slime robot”機(jī)器人圖 25 “Omni Tread” 圖 26 卡耐基梅隆仿蛇形機(jī)器人
國內(nèi)仿蛇形機(jī)器人研究開始于 20 世紀(jì)末。1999 年上海交通大學(xué)顏國正教授研制了我國第一臺(tái)微小型仿蛇形機(jī)器人，該樣機(jī)由一系列剛性連桿連接而成，可以在水平面內(nèi)做一些簡單的動(dòng)作[57]。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所是國內(nèi)蛇形機(jī)器人研究比較多而且成果顯著的單位之一，其研制的新型蛇形機(jī)器人 (圖 27)，能夠?qū)崿F(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)、翻滾運(yùn)動(dòng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水陸雙棲功能[58]。另外通過利用神經(jīng)元控制方法增強(qiáng)了機(jī)器人的自主避障能力[59]。此外，北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)等也進(jìn)行了仿蛇形機(jī)器人的探索研究工作。——論文作者：王國彪 1 陳殿生 2 陳科位 2 張自強(qiáng) 2
