仿生機(jī)器人淺談

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1、. 仿生機(jī)器人淺談 02320902 20210440 于蘇顯 眾所周知，自然界中的生物以其多彩多姿的形態(tài)!靈巧機(jī)敏的動(dòng)作活潑于自然界，這中其人類(lèi)靈巧的雙手和可以直立行走的雙足是最具靈活特性的。而非人生物的許多機(jī)能又是人類(lèi)無(wú)法比擬的，如柔軟的象鼻子，可以在任意管道中爬行的蛇，小巧的昆蟲(chóng)等。因此，自然界生物的運(yùn)動(dòng)行為和某些機(jī)能已成為機(jī)器人學(xué)者進(jìn)展機(jī)器人設(shè)計(jì)!實(shí)現(xiàn)其靈活控制的思考源泉，導(dǎo)致各類(lèi)仿生機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。 在人類(lèi)開(kāi)展的歷史長(zhǎng)河中，對(duì)仿生機(jī)械〔器〕的研究，都是多方面的，也就是既要開(kāi)展模仿人的機(jī)器

2、人，又要開(kāi)展模仿其他生物的機(jī)械〔器〕。機(jī)器人未問(wèn)世之前，人們除研究制造自動(dòng)偶人外，對(duì)機(jī)械動(dòng)物非常感興趣，如傳說(shuō)諸葛亮制造木牛流馬，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)先驅(qū)巴貝吉設(shè)計(jì)的雞與羊玩具，法國(guó)著名工程師鮑堪松制造的鳧水的鐵鴨子等，都非常有名。幾年前，科技工作者為圣地亞哥市動(dòng)物園制造電子機(jī)器鳥(niǎo)，它能模仿母兀鷹，準(zhǔn)時(shí)給小兀鷹喂食；日本和俄羅斯制造了一種電子機(jī)器蟹，能進(jìn)展深?？販y(cè)，采集巖樣，捕捉海底生物，進(jìn)展海下電焊等作業(yè)。美國(guó)研制出一條名叫查理的機(jī)器金槍魚(yú)，長(zhǎng)1.32米，由2843個(gè)零件組成。通過(guò)擺動(dòng)軀體和尾巴，能像真的魚(yú)一樣游動(dòng)，速度為7.2千米/小時(shí)。可以利用它在海下連續(xù)工作數(shù)個(gè)月，由它測(cè)繪海洋地圖和檢測(cè)水下污染

3、，也可以用它來(lái)拍攝生物，因?yàn)樗７陆饦岕~(yú)惟妙惟肖。 仿生機(jī)器人主要分為仿人類(lèi)肢體機(jī)器人和仿非人生物機(jī)器人。仿人類(lèi)肢體又可以分為仿人手臂和雙足。仿非人的主要分為宏型和微型。仿人手臂型主要是研究其自由度和多自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人操作臂!多指靈巧手及手臂和靈巧手的組合。仿人雙足型主要是研究雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)。宏型仿非人生物機(jī)器人主要是研究多足步行機(jī)器人〔四足，六足，八足〕，蛇形機(jī)器人、水下魚(yú)形機(jī)器人等，其體積構(gòu)造較大。微型仿非人生物機(jī)器人主要是研究各類(lèi)昆蟲(chóng)型機(jī)器人，如仿尺蠖蟲(chóng)行進(jìn)方式的爬行機(jī)器人、微型機(jī)器狗、蟋蟀微機(jī)器人、蟑螂微機(jī)器人、蝗蟲(chóng)微機(jī)器人等。仿生機(jī)器人的主要特點(diǎn)：一是多為冗余自由度或超冗余

4、自由度的機(jī)器人，機(jī)構(gòu)復(fù)雜；二是其驅(qū)動(dòng)方式有些不同于常規(guī)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，采用繩索或人造肌肉驅(qū)動(dòng)。 仿生式體系構(gòu)造的思想原理：從本質(zhì)上來(lái)講，慎思式智能、反響式智能以及分布式智能，都是對(duì)生物控制邏輯和推理方式的一種借鑒和仿生，但由于客觀(guān)條件的限制和需求目的的局限，它們都只是從某一個(gè)角度和方向?qū)ι镏悄艿囊环N片面的、局部的模仿。本文的仿生式體系構(gòu)造就是以前述的生物控制邏輯和行為推理為根底，充分借鑒基于慎思式智能、反響式智能和分布式智能等三種體系構(gòu)造思想的優(yōu)點(diǎn)與缺乏之處，針對(duì)目前機(jī)器人特別是未知環(huán)境下工作的移動(dòng)機(jī)器人在控制體系構(gòu)造方面所存在的缺點(diǎn)和問(wèn)題，提出一種具有適應(yīng)行為與進(jìn)化能力的新的控制思想與理

5、念。 借鑒分布式智能的思想，在控制體系構(gòu)造中引人社會(huì)式行為控制層； 借鑒生物的自適應(yīng)性思想，在控制體系構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)本代內(nèi)的由慎思式行為層到反射式行為層的學(xué)習(xí)； 借鑒生物的自進(jìn)化性思想，在控制體系構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)多代間的由反射式行為層向本能式行為層的進(jìn)化(或退化)。 所以，仿生式體系構(gòu)造共有四個(gè)行為控制層組成，即本能式行為控制層、反射式行為控制層、慎思式行為控制層和社會(huì)式行為控制層，它們并行接收來(lái)自感知層的外部和內(nèi)部信息，各自做出邏輯判斷和反響，發(fā)出控制信息到末端執(zhí)行層，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)自身并適應(yīng)外部環(huán)境，從而按照目標(biāo)完成工作任務(wù)。 下面簡(jiǎn)單舉一些例子來(lái)說(shuō)明。 1. 模仿大象鼻子的機(jī)器人

6、手臂 這是根據(jù)大象鼻子的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出來(lái)的新型仿生機(jī)器處理系統(tǒng)--“仿生操作助手〞?！胺律僮髦吱曈傻聡?guó)工程公司費(fèi)斯托公司研制，它可以平穩(wěn)地搬運(yùn)重負(fù)載，原理在于它的每一節(jié)椎骨可以通過(guò)氣囊的壓縮和充氣進(jìn)展擴(kuò)展和收縮。 2. 模仿壁虎的粘性機(jī)器人 如果沒(méi)有吸盤(pán)，機(jī)器人如何在垂直、光滑的物體(如玻璃)外表攀爬呢？而使用吸盤(pán)速度很慢，效率很低。美國(guó)斯坦福大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授馬克-庫(kù)特科斯基研制了一種“粘性機(jī)器人〞，其設(shè)計(jì)靈感就源自壁虎足墊上的小剛毛。壁虎足墊上長(zhǎng)有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的小剛毛，小剛毛還擁有細(xì)微的分叉尖端，它們可以與物體外表的分子結(jié)合，產(chǎn)生強(qiáng)大的粘附力。這種粘附力可以幫助壁虎自由地在垂直、光滑的

7、物體外表攀爬。 3.機(jī)械蟑螂 科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，蟑螂在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，每次只有三條腿著地，一邊兩條，一邊一條，循環(huán)反復(fù)，根據(jù)這個(gè)原理，仿生學(xué)家制造出機(jī)械蟑螂，它不僅每秒能夠前進(jìn)三米，而且平衡性非常好，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，不遠(yuǎn)的將來(lái)，太空探索或排除地雷，就是它的用武之地。 4.機(jī)器梭子魚(yú) 麻省理工學(xué)院的機(jī)器梭子魚(yú)，是世界上第一個(gè)能夠自由游動(dòng)的機(jī)器魚(yú)。它大局部是由玻璃纖維制成的，上覆一層鋼絲網(wǎng)，最外面是一層合成彈力纖維。尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線(xiàn)圈制成，從而使這條機(jī)器梭子魚(yú)既穩(wěn)固又靈活。一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)為這條機(jī)器魚(yú)提供動(dòng)力。 仿生機(jī)器人的主要研究問(wèn)題包括以下五個(gè)方面： 1 建模問(wèn)題 仿生機(jī)

8、器人的運(yùn)動(dòng)具有高度的靈活性和適應(yīng)性。其一般都是冗余度或超冗余度機(jī)器人，構(gòu)造復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型與常規(guī)機(jī)器人有很大差異，且復(fù)雜程度更大。為此，研究建模問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的可控化是研究仿生機(jī)器人的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 2 控制優(yōu)化問(wèn)題 機(jī)器人的自由度越多，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，必將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。復(fù)雜巨系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不能全靠子系統(tǒng)的堆積，要做到整體大于組分之和，同時(shí)要研究高效優(yōu)化的控制算法才能使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力。 3 信息融合問(wèn)題 在仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體和未知環(huán)境的感知，都裝備有一定量的傳感器。多傳感器的信息融合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)其具有一定智能的關(guān)鍵。信息融合技術(shù)把分布在不同位置的多個(gè)同

9、類(lèi)或不同類(lèi)的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反響的快速性和正確性。 4 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題 合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是仿生機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的根底。生物的形態(tài)經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，其構(gòu)造特征極具合理性，而要用機(jī)械來(lái)完全仿制生物體幾乎是不可能的，只有在充分研究生物肌體構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)特性的根底上提取其精華進(jìn)展簡(jiǎn)化，才能開(kāi)發(fā)全方位關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和簡(jiǎn)單關(guān)節(jié)組成高靈活性的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。 5 微傳感和微驅(qū)動(dòng)問(wèn)題 微型仿生機(jī)器人有些已不是傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)器人的按比例縮小，它的開(kāi)發(fā)涉及到電磁、機(jī)械、熱、光、化學(xué)、生物等多學(xué)科。對(duì)于微型仿生機(jī)器人的制造，需 要解決一些

10、工程上的問(wèn)題，如動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式、傳感集成控制以及同外界的通訊等。實(shí)現(xiàn)微傳感和微驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)電光一體結(jié)合的微加工技 術(shù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到尺寸效應(yīng)、新材料、新、工藝等問(wèn)題。 仿生機(jī)器人的開(kāi)展趨勢(shì) 一，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的開(kāi)展，工業(yè)機(jī)器人已從當(dāng)初的上下料功能向高度柔性、高效率和精細(xì)裝配功能轉(zhuǎn)化。二，近年來(lái)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究到越來(lái)越多的重視，使機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定式機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的預(yù)定目標(biāo)，完成設(shè)定的操作任務(wù)。包括步行機(jī)器人和爬行機(jī)器人等。仿生移動(dòng)式機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國(guó)防上具有廣泛的應(yīng)用前景，它們能用于衛(wèi)星探測(cè)、軍事偵察、危險(xiǎn)的廢料處理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。三，向非制造業(yè)擴(kuò)展是機(jī)器人開(kāi)展的一個(gè)重要方向。在非制造業(yè)中的醫(yī)療、娛樂(lè)和社會(huì)福利等方面的仿生機(jī)器人有很好的開(kāi)展前景：如用于外科手術(shù)的多指手、仿生機(jī)器人玩具、老年人或臥床不起病人護(hù)理機(jī)器人和人工肢等。 自然界中生物體的多樣性、復(fù)雜性和靈敏性是自然環(huán)境與億萬(wàn)年時(shí)間磨礪的結(jié)果。人類(lèi)在工程領(lǐng)域?qū)ι锏哪７禄蛟S在某個(gè)方面會(huì)超過(guò)生物體，但從總體上來(lái)說(shuō)，在同一環(huán)境下，人類(lèi)將只能逐步接近，而永遠(yuǎn)不能超越這些大自然的生靈。 . v