仿生机器人的研究
第26卷第3期
机器人 2004年5月
文章编号:100220446(2004)0320283206
ROBOT
Vol.26,No.3
May,2004
仿生机器人的研究
Ξ
许宏岩,付宜利,王树国,刘建国
(哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨 150001)
摘 要:对国内外仿生机器人的研究和开发做了全面的综合概括和总结,从运动机理的建模、感知信息的处理、控制计算的优化、能量代谢的效率和仿生材料的合成,分析了仿生机器人的关键技术问题,阐述了未来仿生机器人的发展趋势与方向.
关键词:仿生机器人;运动仿生;感知仿生;控制仿生;中图分类号: TP24 文献标识码: B
Robotics
2,FUYi2li,WANGShu2guo,LIUJian2guo
(ResearchInstitute,HarbinInstituteofTechnology,Harbin 150001,China)
Abstract:Ageneralsummaryandoverviewofbiomimeticroboticsismadeupondozensofreferenceshomeandabroad.
Thekeyproblemsofbiomimeticroboticsarediscussedincludingmodelingofmotionmechanism,processingofdetectedsig2nals,optimizationofcontrolandcomputation,efficiencyofenergymetabolizingandcompoundofbiomimeticmaterials.Finally,thedevelopmenttrendofbiomimeticroboticsisforecasted.
Keywords:biomimeticsrobotics;motionbiomimetics;sensorbiomimetics;controlbiomimetics;energymetabolizing
biomimetics;materialbiomimetics
1 引言(Introduction)
人类文明的历史也就是人类认识、利用和改造
包括自身在内的自然的历史.在这个过程中,由于自身能力的局限性,人类首先间接地延长了个人的肢体,制造了从石器到青铜器、铁器等各种末端执行工具;其次间接地延长了人类的感觉器官,制造出了具有视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等更加强大的各种感知工具;又进一步间接地延长了人类的大脑,制造出了以电子计算机为代表的各种信息处理和计算工具.人类能力的这种间接延长在20世纪最有说服力的成就也就是当代最高意义上的自动化[1]的产物,即机器人.而人类能力的间接延长的最高产物或者说21世纪的机器人的发展阶段就是“仿生机器人”.
生物在经过了千百万年的进化之后,由于遗传和变异[2]的原因,已经形成了从执行方式、感知方式、控制方式,一直到信息加工处理方式、组织方式等诸多方面的优势和长处.仿生机器人这门学科产生和存在的前提就在于,生物经过了长期的自然选择进化而来,在结构、功能执行、
信息处理、环境适应、自主学习等多方面具有高度的合理性、科学性和进步性.而非结构化的、未知的工作环境、复杂的精巧的高难度的工作任务和对于高精确度、高灵活性、高可靠性、高鲁棒性、高智能性的目标需求则是仿生机器人提出和发展的客观动力.2.2 起源分代与研究对象
仿生机器人是仿生学的各种先进技术与机器人领域的各种应用目的的最佳结合.
(1)从机器人的角度来看,仿生机器人是机器人发展的最高阶段
从1959年美国制造出世界上第一台工业机器
2 仿生机器人的概念、分类(Definitionand
classificationofbiomimeticrobotics)
2.1 产生前提与发展动力
Ξ基金项目:国家自然科学基金资助项目(60275033);国家863计划资助项目(2002AA4222400).
收稿日期:2003-05-25
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人起,在不到半个世纪的时间里,机器人就已经历了
多个发展阶段.
日本东北大学的中野荣二教授对机器人的发展过程进行了这样的分类:第一代机器人是20世纪60年代的点焊机器人,其特征是能够按照事先教给它的程序反复进行动作的“重复机械”;第二代机器人是20世纪70年代的弧焊机器人,其特征是可以根据作业对象的状况改变作业内容,即所谓“知觉判断机器人”,需要传感装置;第三代机器人是20世纪80年代的通用组装机器人,是具有学习功能的智能机器人;第四代是2000年以后的机器人.
我国也有学者提出机器人发展的四阶段划分[3]:第一阶段为工业机器人,
人,第三阶段为智能机器人,第四阶段为进化机器人.
上述划分虽较中野荣二教授的划分更确切一些,但对第四代机器人的定义却仍不够准确,因为进化只是生命系统的本质特征之一,除了自进化能力以外,生命系统还具有自繁衍和自适应等其他本质特征,不如直接称之为“仿生机器人”阶段.同时将所有古代、近代的和近一阶段内利用非电子元件或基本的电子元件所制造的结构简单化装置归为第零代机器人.、第二代感(、.
图1 机器人的发展阶段及其典型代表
Fig.1 Developmentperiodofrobotandtherespectivetypicalrepresentatives
(2)从仿生学的角度来看,仿生机器人是仿生学技术的完美综合与全面应用
机器人是一门涉及到力学、机构学、控制学、计算机科学、信息科学、光学、微电子学、传感技术、驱动技术、人工智能、仿生学等诸多学科在内的以实际应用为主要目的的综合学科.因此,它本身的发展和进步在很大程度上依赖于相关学科的研究水平和技术成熟程度.仿生学的研究目的就是研究生命的结构、能量转换和信息流动等过程,并利用电子、机械、化学等技术对这些过程进行模拟,从而改善现有的或创造出崭新的自动化装置[4].仿生机器人的研制状况和应用程度则根本取决于以仿生学为核心的相关学科的研究进展.运动仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等诸多基础的仿生学技术的深入研究和进步是仿生机器人研制和应用的理论基础与技术前提.
仿生机器人是机器人发展的最高阶段,它既是机器人研究的最初目的,也是机器人发展的最终目标之一
.
2.3 概念分类与研究内容
简单地说,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[5].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.
按照所模仿的运动机理、感知机理、控制机理及能量代谢和材料组成的不同,划分仿生机器人的主要研究内容如图2所示.其中运动仿生下的划分也
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可看作基于不同运动机理的仿生机器人分类
.
图2 仿生机器人的主要研究内容及分类
Fig.2 Mainresearchcontentandclassificationofbiomimeticrobotics
3 仿生机器人的研究现状(Researchstatusofbiomimeticrobot)
3.1 无肢生物爬行仿生
人是日本的I.Kato在1971年试制的Wap3,最大步幅15mm,周期45s[10].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[11].1997年本田推出P3,2000年推出ASI2MO[12],索尼也相继推出机器人SDR23X和SDR24X.
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,具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点[6].
东京科技大学于1972年研制出世界上第一个蛇形机器人,速度为40cm/s.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,NASA开发了一种由简单的低自由度组件组成的高柔性、高冗余性的蛇形机器人[7],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[8]在2001年由国防科技大学研制成功,长1.2m,直径6cm,重1.8kg,可婉蜒前进、后退、拐弯和加速,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.3.2 双足生物行走仿生
两足型行走是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统[9].世界上第一台两足步行机器
本田公司的P2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的改进型P3身高1.6m,体重130kg,与人类更加接近.而ASIMO身高1.2m,体重43kg,采用“i2WALK”技术,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,在不平坦地面最快每分钟行走6m.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.SDR24X还可以通过CCD相机来识别障碍,并自行设计避障路线前进.3.3 四足等多足生物行走仿生
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与双足步行机器人相比,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20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.表1给出了四足、六足、八足等几种机器人的具体参数与性能指标[13].
表1 四足等多足仿生机器人的性能参数对照
Table1 Functioncomparisonofbiomimeticrobotwithfourormorelegs
参数
机器人
LAVASIL04GokiburiCarlaScorpionRoboticSpider
国别新加坡西班牙日本德国德国新加坡
足数尺寸(m)长×高×宽
0.13×0.15×0.1150.3×0.31×0.31
主/被动自由度
12 012 0120240
体重/载荷(kg)
2 0.530 20114512 0.75
驱动方式直流伺服直流伺服直流伺服
运动速度
1cm/s1m/min30cm/min0.5m/s20cm/s0.4m/s
四足
六足
0.2×0.1×0.0760.7×0.4×0.4
八足
0.6×(0.15~0.35)×0.15×3.4 .美国卡
内基梅隆大学的模仿袋鼠的弓腿跳跃机器人[14],重2.5kg,腿长25cm,重0.75kg,采用1000N・M/kg的
单向玻璃纤维合成物作弓腿,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,高速时借助后退和尾部保持平衡,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.3.5 地下生物运动仿生
江西南方治金学院袁胜发等人模仿蚯蚓研制了气动潜地机器人[15],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,尚不能穿透坚硬的岩石.3.6 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、低噪音、机动灵活的柔体潜水器的模仿对象.突出的代表有美国MIT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[16]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.
我国北京航空航天大学的机器鱼重800g,在水中最大速度为0.6m,能耗效率为70%至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.3.7 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.但在首次飞行时只飞行了30cm.Georgia理工学院与剑桥大学合作研制了类似飞蛾的昆虫机器人Ento2mopter,体宽1cm,每秒振翅30次,靠化学“肌肉”驱动.
3.8 执行运动仿生
执行运动的仿生主要是指机器人的末端执行部分包括机械臂在内的机械手的仿生研究.当前的研究主要以人手为主要仿生对象.日本、英国和我国的沈阳自动化所也针对象鼻进行了仿生研究.最早的灵巧手是1974年日本的Okada手.而世界上公认的灵巧性最好、最复杂的手是1999年德国宇航中心研制的DLR多指灵巧手[17].DLR手共有112个传感器、1000多个机械元件和1500多个电子
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元件,有四个手指,每个手指三个关节,共12个自由度,由绳索拉动滑轮产生运动.
我国第一个具有多种感知功能的仿人多指灵巧手由哈尔滨工业大学机器人研究所于2001年研制成功,共12个自由度,有位置、温度、多维指尖力和关节力矩等96个传感器,可进行战场探雷、排雷,检修核工业设备等危险作业.
的定向导航控制能力[20];要实现多个机器人间的无隙配合,仿生机器人必须具有良好的群体协调控制能力[21];要解决复杂高难的任务,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、类进化等这一系列的问题,已经成为决定仿生机器人能否超越智能机器人而成其为仿生机器人的首要的最大的难题.4.4 能量代谢的效率
4 仿生机器人关键技术问题(Keytechnical
problemsofbiomimeticrobot)
4.1 运动机理的建模
.生物,,长期使用.因此,要缩,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,研究模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能的能量转换过程.4.5 仿生材料的合成
运动仿生是仿生机器人研制成功的前提.而进
[18].具体研究过程中,,,,建立;在此基础上进行数学分析和抽象,提取出内部的函数关联,建立仿生的数学模型;最后,利用各种机械、电子、化学等工具方法,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可以两足、四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步行与轮式配合运动等.而建立硬件模型,模仿完美的生物形态,也将对结构设计提出前所未有的挑战.4.2 感知信息的处理
材料仿生是仿生机器人研制成功的重要部分.
许多仿生材料具有无机材料所不可比拟的各种物理特性,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.所以研究目的一方面在于学习生物的方法,生产出高性能的材料,另一方面是为了制造有机元器件.因为仿生机器人的建立与最终实现不可能单纯依赖于机、电、液、光等无机元器件,还必须结合和利用仿生材料所制造的有机元器件.这种有机元器件不仅将会对仿生机器人的发展具有重要的意义,而且还将为人类能力的直接延长发挥巨大的作用.
感知仿生是仿生机器人研制成功的基础.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.单纯的“感觉”信号并不复杂,重要的是“解知”信号所包含的有价值的敏感信息[19].必须全面运用各种时频分析算法、智能处理工具,充分融合各传感器的信息,相互补充印证,才能从庞杂的环境噪声中快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.4.3 控制计算的优化
控制仿生是仿生机器人研制成功的核心.要适应复杂多变的工作环境,仿生机器人必须具备强壮
5 结论(Conclusion)
1)生物的结构机能具有足够的合理性,并且这
种合理性仍然可以不断地向前发展和进化;
2)生物的这种结构和功能的合理性是可以被认知、模仿和超越的;
3)仿生机器人的产生前提是对生物本质机理的深刻认知与理解和对已有理论技术与工具的超越;
4)仿生机器人的发展和完善不仅依赖于机、电、液、光等技术的综合与运用,还必须与有机元器件组合并行协同工作;
5)仿生机器人的研究目的一方面在于间接地延长人的能力,创造出适合当时当地的具体条件的适度先进的仿生机器人,而不在于也不应该局限于模仿生物;
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6)在认知模仿生物的结构/功能合理性的同时,
即在间接延长人类能力的同时,人类的行为能力、感
知能力和思考能力也将得到直接的延长(并伴随着结构的完善),这就是研究仿生机器人的另一目的;
7)仿生机器人的发展不会导致人类器官功能的全面退化和机器主导世界的可怕后果,而会使人类能力得到间接延长和直接延长,并因不断的正反馈而得到加速,从而最终质变为新的形态功能体.
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[9]包志军,马培荪,等.从两足机器人到仿人型机器人的研究历史
作者简介:
许宏岩(19762),男,博士研究生.研究领域:仿生机器人,
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