發布時間：2022-03-21所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：仿生機器人是指依據仿生學原理，模仿生物結構、運動特性等設計的性能優越的機電系統，已逐漸在反恐防爆、太空探索、搶險救災等不適合由人來承擔任務的環境中凸顯出良好的應用前景。按照工作環境可將仿生機器人分為陸面仿生機器人、空中仿生機器人以及水下仿生機
摘要：仿生機器人是指依據仿生學原理，模仿生物結構、運動特性等設計的性能優越的機電系統，已逐漸在反恐防爆、太空探索、搶險救災等不適合由人來承擔任務的環境中凸顯出良好的應用前景。按照工作環境可將仿生機器人分為陸面仿生機器人、空中仿生機器人以及水下仿生機器人三類。指出仿生機器人經歷了原始探索、宏觀仿形與運動仿生、機電系統與生物性能部分融合三個階段，并概述三類仿生機器人國內外研究現狀。分析發現當前研究還存在著生物運動機理研究不深，結構設計、材料應用、驅動及控制方式大多較為傳統、能量利用率低等問題，導致了仿生機器人從宏觀到微觀與生物都存在較大差異，“形似而神不似”，遠未達到實際應用程度。指出仿生機器人正向著剛柔混合結構，仿生結構、材料、驅動一體化，神經元精細控制，高效的能量轉換的類生命系統方向發展。
關鍵詞：仿生機器人;剛柔混合結構;結構材料驅動一體化;類生命系統
0 前言*
當今世界上存在的千萬種生物，都是經過億萬年的適應、進化、發展而來，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、最優化的結構特點、靈活的運動特性、以及良好的適應性和生存能力。自古以來，豐富多彩的自然界不斷激發人類的探索欲望，一直是人類產生各種技術思想和發明創造靈感不可替代、取之不竭的知識寶庫和學習源泉。道法自然，向自然界學習，采用仿生學原理，設計、研制新型的機器、設備、材料和完整的仿生系統，是近年來快速發展的研究領域之一[1-2]。
仿生學是研究生物系統的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學，是一門生命科學、物質科學、數學與力學、信息科學、工程技術以及系統科學等學科的交叉學科[3]。1960 年 9 月，第一次世界仿生學大會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研究，仿生學理論和技術迅速發展，新的仿生原理和仿生裝備不斷涌現[4]。我國在 2003 年召開了兩屆香山會議，即第 214 屆“飛行和游動生物力學和仿生應用”和第 220 屆“仿生學的科學意義與前沿”。此后，又分別在 2010 年和 2011 年召開了第 387 屆“分子仿生”、第 395 屆“高效降解生物質的自然生物系統資源利用與仿生”以及第 411 屆“仿生材料與器件：結構、力學與功能”三屆香山會議。為促進仿生學科的發展，由吉林大學工程仿生教育部重點實驗室聯合 15 個國家的仿生學者牽頭發起成立了“國際仿生工程學會”，學會秘書處設在中國。這是國際學術界對我國仿生工程研究水平和學術地位的認可。
仿生學研究的內容包括力學仿生、分子仿生、信息與控制仿生、能量仿生等。其中，力學仿生主要研究生物的宏觀結構性能，包括生物的靜力學特性和動力學特性;分子仿生主要研究生物的微觀特性，包括生物體內酶的催化作用、生物膜的選擇性等;信息與控制仿生主要研究生物對信息的處理過程，包括生物的感覺器官、神經元與神經網絡等;能量仿生主要是對生物體內能量轉換過程和新陳代謝進行研究，包括生物肌肉的能量轉換、生物器官的發光等。仿生學的研究一般可分為以下三步：① 對生物原型和生物機理進行研究;② 將生物模型用數學的方法進行表示;③ 根據數學模型制造出可在工程技術上進行試驗的實物模型[5]。
仿生機器人是仿生學與機器人領域應用需求的結合產物。從機器人的角度來看，仿生機器人則是機器人發展的高級階段[6]。生物特性為機器人的設計提供了許多有益的參考，使得機器人可以從生物體上學習如自適應性、魯棒性、運動多樣性和靈活性等一系列良好的性能[7]。仿生機器人按照其工作環境可分為陸面仿生機器人、空中仿生機器人和水下仿生機器人三種。此外，還有一些研究機構研究出水陸兩棲機器人[8-9]、水空兩棲機器人[10]等具有綜合用途的仿生機器人。仿生機器人同時具有生物和機器人的特點，已經逐漸在反恐防爆、探索太空、搶險救災等不適合由人來承擔任務的環境中凸顯出良好的應用前景[11]。
國家自然科學基金委員會(以下簡稱“NSFC”) 非常重視對仿生機器人項目的培育、優選和資助工作。目前，該領域的項目申請主要集中在機械工程學 科 (E05 代 碼 ) 的 E0501( 機構學與機器人 ) 和 E0507(機械仿生學)2 個方向。據統計，截止目前， NSFC 在 E05 方向共資助面上項目 137 項，資助經費 7 460 萬元;資助國家杰出青年科學基金項目 2 項，資助經費 160 萬元;資助青年科學基金項目 81 項，資助經費 1 876.4 萬元;資助重大項目 1 項，資助經費 1 500 萬元;資助重點項目 8 項，資助經費 1 590 萬元;資助地區科學基金項目 3 項，資助經費 150 萬元。特別是近年來，資助力度有較大增長。
1 仿生機器人研究現狀
仿生機器人的出現很好地體現了仿生應用的理念。如圖 1 所示，人類最早進行了陸面仿生機器人的探索，如中國三國時期的木牛流馬以及 1893 年由 Rygg 設計的機械馬[12];其次，進行了空中仿生機器人探索，最早模仿鳥類的飛行進行撲翼飛行器設計，1485 年達芬奇設計的撲翼飛機圖紙是世界上第一個按照技術規程進行的設計;最后，是水下仿生機器人的探索。縱觀仿生機器人發展歷程，到現在為止經歷了三個階段。第一階段是原始探索時期，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，該階段主要靠人力驅動。至 20 世紀中后期，由于計算機技術的出現以及驅動裝置的革新，仿生機器人進入到第二個階段，宏觀仿形與運動仿生階段。該階段主要是利用機電系統實現諸如行走、跳躍、飛行等生物功能，并實現了一定程度的人為控制。進入 21 世紀，隨著人類對生物系統功能特征、形成機理認識的不斷深入，以及計算機技術的發展，仿生機器人進入了第三個階段，機電系統開始與生物性能進行部分融合，如傳統結構與仿生材料的融合以及仿生驅動的運用。當前，隨著生物機理認識的深入、智能控制技術的發展，仿生機器人正向第四個階段發展，即結構與生物特性一體化的類生命系統，強調仿生機器人不僅具有生物的形態特征和運動方式，同時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。如隨著人類對人腦以及神經系統研究的深入，仿生腦和神經系統控制成為了該領域科學家關注的前沿方向。
我國仿生研究起步較晚，近 30 年來在 NSFC 的大力資助下，經歷了跟蹤國外研究、模仿國外成果到局部領域齊頭并進三個階段。如北京航空航天大學孫茂教授利用Navier-Stokes方程數值解和渦動力學理論研究了模型昆蟲翼作非定常運動時的氣動力特性，解釋了昆蟲產生高升力的機理，為微型仿生撲翼飛行器的設計提供了理論基礎，在國際昆蟲撲翼飛行機理研究方面占有一席之地[13]。哈爾濱工業大學劉宏教授研制的類人五指靈巧手，能靈活運動并進行物品的抓取，技術指標與國外同類產品相當[14]。
今天，仿生機器人種類繁多，本文主要針對陸面仿生機器人、空中仿生機器人、水下仿生機器人領域中的部分典型研究工作進行介紹與分析。
1.1 陸面仿生機器人
在自然界中，陸面生物的運動方式多種多樣，有雙足運動方式，如人類;有多足爬行方式，如狗、壁虎等;有無足移動方式，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構、運行方式等方面得到啟發，進行了陸面仿生機器人的研究。主要有仿人機器人、仿生多足移動機器人、仿生蛇形機器人和仿生跳躍機器人等。
1.1.1 仿人機器人
仿人機器人是指一定程度具有人的特征，并具有一定程度移動、感知、操作、學習、聯想記憶、情感交流等功能的智能機器人，可以適應人類的生活和工作環境。這是一個融合機械電子、計算機科學、人工智能、傳感及驅動技術等多門學科的高難度研究方向，是各類新型控制理論和工程技術的研究平臺，也是目前仿生機器人技術研究中具有挑戰性的難題之一。仿人機器人的研究可以推動仿生學、人工智能學、計算機科學、材料科學等相關學科的發展，因此具有重要的研究價值和意義。
如圖 2 所示，仿人機器人經過了幾十年的發展，從最初的單元功能實現，僅模仿人進行簡單行走，發展到能初步感知外界環境的低智能化，再到現在集成視覺、觸覺等多項技術并能根據外界環境變化作出自身調整，完成多項復雜任務的擬人化、高智能化系統。
仿人機器人的研制開始于 20 世紀 60 年代末的雙足步行機器人。日本早稻田大學首先展開了該方面的研究工作[15]，其研制的 WAP、WL以及 WABOT系列機器人能實現基本行走功能。在此期間，日本、美國、歐盟、韓國等國家的多家機構均進行了仿人形機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雙足步行機器人 SD-1 以及其改進版 SD-2[16]。該階段主要還是側重實現機器人的行走功能，并能實現一定程度的控制。進入 21 世紀，隨著傳感以及智能控制技術的發展，仿人機器人具有一定的感知系統，能獲取外界環境的簡單信息，可做出簡單的判斷并相應調整自己的動作，使得運動更加連續流暢。如本田公司于 2000 年研發的仿人形機器人“ASMIO2000”不僅具有人的外觀，還可以事先預測下一個動作并提前改變重心，因此轉彎時的步行動作連續流暢，行走自如，是第一個具有世界影響力的仿人形機器人[17]。索尼公司 2003 年推出的“QRIO”機器人首次實現了仿人機器人的跑動[18]。其后，法國的“BIP2000”機器人[19]、索尼公司的“SDR”系列機器人[20]、日本 JVC 公司研制的“J4”機器人、韓國的“HUBO”機器人[21]，實現了諸如站立、上下樓梯、跑步、做操等復雜動作。
隨著控制理論的發展與控制技術的進步，仿人機器人智能性更強，能實現動作更復雜，運行更穩定，且能根據環境的改變和它自身的判斷結果自動確定與之相適應的動作。如本田 2011 年發布的 “ASIMO2011”機器人(圖 3)，綜合了視覺和觸覺的物體識別技術，可進行細致作業，如拿起瓶子擰開瓶蓋，將瓶中液體注入柔軟紙杯等，還能依據人類的聲音、手勢等指令，來從事相應動作，此外，還具備了基本的記憶與辨識能力[22]。2013 年美國波士頓動力公司研制的“ATLAS”機器人(圖 4)是當前仿人形機器人的一個代表，除了具有人形外觀，還具備了人類簡單的識別、判斷以及決策功能，是一款具有較高智能化的類人機器人。該機器人能在傳送帶上大步前進，躲開傳送帶上突然出現的木板，能從高處跳下穩穩落地，能兩腿分開從陷阱兩邊走過，能單腿站立，被從側面而來的球重撞而不倒[23]。該公司開發的另一款用于美軍檢驗防護服性能的軍用機器人“Petman”(圖 5)，除了具有較高靈活度外，還能調控自身的體溫、濕度和排汗量來模擬人類生理學中的自我保護功能，已經一定程度上具有了人類的生理特性[24]。
仿人機器人另一個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現簡單運動階段發展到現在集運動感知于一體，并能實現類似人手諸如抓取等細微操作的機電系統。美國加利福尼亞大學 TOMOVIC 等[25]于 1962 年針對傷寒病患者設計的“Belgrade”被認為是世界上最早靈巧手，只能實現簡單動作。SALISBURY 等[26]于 1982 年設計的“Stanford/JPL”仿人手首次完整引入了位置、觸覺、力等傳感功能，開創了多指手實際抓取操作的先河，是當時乃至現在都很具有代表性的機械手。此后，機械手朝著更加靈活，更加智能的方向發展。2010 年德國宇航中心 DLR 研制的手-臂聯合系統“Hasy”機械手臂(圖 6)，總共具有 21 個自由度，是第一個采用仿生學關節進行手指設計的多指靈巧手，手指關節的運動模仿人手進行面接觸滑動而不是單純的轉動，使其運動特性與人類手指更加接近[27]。國內仿人形機器人研究起步較晚，2000 年國防科學技術大學研制的“先行者”(圖 7)是我國第一臺仿人形機器人[28]。其后，北京理工大學于 2002 年研制的仿人機器人“BHR”(圖 8)，突破了系統集成技術，實現了無外接電纜的行走，可在未知地面上穩定行走且能實現太極拳表演等復雜動作[29]。哈爾濱工業大學研制開發的“HIT”系列雙足步行機器人實現了靜步態和動步態步行，能夠完成前/后行、側行、轉彎、上下臺階及上斜坡等動作[30]。清華大學研制開發的仿人機器人“THBIP”(圖 9)采用獨特傳動結構，成功實現無纜連續穩定地平地行走、連續上下臺階行走以及端水、太極拳和點頭等動作[31]。北京理工大學 2011 年研制成功的“匯童 5” 仿人機器人(圖 10)，代表了我國現階段仿人機器人的最高水平，具有視覺、語音對話、力覺、平衡覺等功能，突破了基于高速視覺的靈巧動作控制、全身協調自主反應等關鍵技術，成為具有“高超”運動能力的機器人健將[32]，此外，浙江大學也進行了仿人機器人的研制，通過軌跡預判的方法提高了機器人對復雜情況的處理能力，實現了機器人打乒乓球的運動[33]。
在仿人手臂與靈巧手指方面的研究，北京航空航天大學的研究開展較早，1993 研制成功了我國第一只三指手“BUAA-I”，其隨后改進版本“BUAA-II” 型和“BUAA-III”型三指手相繼問世。上海交通大學從 2005 年開始進行基于腦電的機械手臂操作研究，著重研究如何提高假肢手的操作功能和操作靈巧性，開發功能更先進的生物/機械系統接口[34]，在此基礎上研制了具有“仿人手”功能的新一代假肢手(圖 11)。哈爾濱工業大學與德國 DLR 聯合研制的類人五指靈巧手“HIT/DLR Hand”(圖 12)，具有多感知能力，運動靈活，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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目前仿人機器人研究已在諸如關鍵機械單元、整體運動、動態視覺等多方面取得了突破，但是與人運動的靈巧性和控制的自主性相比還相差很遠。仿人機器人的最終發展目標不僅是外形及運動方式模仿人，而且思維方式和行為方式也接近人，能夠通過與環境的交互不斷獲取新的知識，能自主完成各種任務，還能自己適應結構化或非結構化的動態環境。
1.1.2 仿生多足移動機器人
仿生多足移動機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，進行結構模仿設計。因其具有良好的地形適應能力，近 20 年來一直是一個非常活躍的研究領域，受到世界各研究機構的關注。經過幾十年的探索，仿生多足移動機器人的機構與控制均得到較大發展，從單一模仿生物移動發展到具有智能控制和良好的環境感知能力，更接近生物原型的移動機器人。
20 世紀 60 年代中期，通用電器公司研制了四腿式步行機器人“Mosher”(圖 13)，采用了由人控制的方法模擬四腿生物行走[36]，是仿生多足移動機器人技術發展史上的一個里程碑。此后，隨著計算機技術的進步，能自主控制移動的機器人相繼出現。如日本東京工業大學研制的“TITAN”(圖 14)系列四足步行機器人，具有多種運動步態，可在傾斜的樓梯上行走[37]。美國波士頓動力公司 2008 年仿大狗研制的“Big dog”機器人(圖 15)是多足運動機器人的代表，具有環境感知和良好的適應能力，平衡性良好，即使側面被物體沖擊，也能很快地通過調整步態恢復平衡狀態。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，可用于軍方運輸[38]。該公司 2013 年最新研制的“獵豹”機器人(圖 16)能夠沖刺，急轉彎，并能突然急剎停止，與生物原型運動較接近。它的奔跑速度最高可達到 46 km/h，是目前運動速度最快的仿生多足移動機器人[39]。
還有學者基于昆蟲的爬行運動機理進行仿生多足機器人的開發。美國凱斯西儲大學研制的仿蟋蟀爬行機器人(圖 17)，是仿生昆蟲機器人中的一個代表，可以在一定的范圍內行走和跳躍，能夠適應粗糙地帶，能靈活地進行跑動、轉彎、避障等[40]。加拿大麥吉爾大學、密執安大學、加州大學伯克利分校、卡內基梅隆大學等機構在美國國防高級研究計劃局(DARPA)的資助下，研制了“RHex”系列腿式機器人(圖18為其中一種)[41]，擁有六條半弧的“彈力腿”，能夠輕松實現快速行駛、跳躍、騰空翻轉和攀爬等動作。研究人員還從壁虎能在垂直墻面上行走獲得啟發研制爬壁機器人。2010 年美國斯坦福大學教授 MARK 研制出“StickyBot Ⅲ”仿壁虎機器人(圖 19)，腳掌采用干性黏附材料，該機器人從吸附原理、運動形式都比較接近真實的壁虎[42]。
兩棲機器人也是仿生多足爬行機器人的一個研究方向，瑞士科學家 2007 年以蠑螈為模仿對象研發出一款機器人“Salamander”(圖 20)，由 9 節黃色塑料組成，類似蠑螈的脊髓，軀體上被加上四條腿，可以在水中游弋，也能像爬行動物一樣行走。此外還模仿動物的脊髓神經元，在機器人上安置了人工神經元，通過改變施加在機器人“脊髓”上的電流剌激實現機器人移動的目的[9]。
在國內，對多足爬行機器人的研究是在 20 世紀 80 年代末 90 年代初起步的，經過了一段時間的發展，我國在這方面的技術也有了長足的進步。上海交通大學研制的關節式四足步行機器人 “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網絡同時應用到分布式控制系統當中，實現了機器人的低速動態行走[43]。哈爾濱工程大學開發的兩棲仿生機械蟹每條腿有 3 個自由度，采用雙四足步態，能夠實現前進、后退、左右轉彎和橫行等行走方式，具有多功能性和全方位運動能力[44]。南京航空航天大學研制的仿壁虎爬行機器人(圖 21)，能實現在豎直墻面上的爬行運動[45-46]。在 863 計劃項目的資助下，山東大學[47]、國防科學技術大學[48]、上海交通大學[49]、哈爾濱工業大學[50]進行了仿生四足步行機器人的研制，取得一定成果。其中山東大學研制的利用液壓驅動四足機器人“SCalf-1”(圖 22)，具有 8 個俯仰主動自由度和 4 個橫擺主動自由度，實現了相對較為穩定的步態行走，最高速度達到 1.8 m/s[51]。此外，燕山大學、北京航空航天大學、中國科學院沈陽自動化研究所等機構也參與了仿生多足機器人的研究工作。
當前，仿生多足移動機器人已經能夠在非結構化環境下實現穩定行走，但還遠未達到多足生物那樣的步行機動性和靈活性，存在步行速度低，效率低等問題。進一步深入研究仿生多足移動機器人的結構、驅動方式以及控制算法，提高機器人的速度和靈活性，同時融合信息感知與智能控制技術，提高機器人的自主性，將是今后的研究重點之一。
1.1.3 仿蛇形機器人
仿蛇形機器人由于其細長的形體結構以及獨特的運動方式，能夠跨越窄溝和進入空洞，具有很強的環境適應性和地面運動穩定性，能在人類難以到達的未知環境中工作，因此可被廣泛應用到科學探險，救災搶險、生命搜尋等多個領域，受到各國科研人員的青睞。經過幾十年的研究，仿蛇形機器人由最初實現仿蛇的基本運動發展到現在不僅能夠實現蜿蜒、收縮等多種方式的前進運動，還具有避障、攀爬、翻滾以及水中游動等多種功能，并具備一定環境感知能力。
日本東京工業大學最早開始蛇形機器人的研制，于 1972 年研制了第一臺仿蛇形機器人[52]，其后研制的“ACM”系列蛇形機器人不僅能完成平面蜿蜒運動，還能夠完成側向滾動、螺旋運動、近 S 曲線等各種空間運動，其最新研制的“ACM-R5” 蛇形機器人(圖 23)，具有三維運動能力和水陸兩棲功能。其每個關節具有俯仰和偏航兩個自由度，由人控制遙控操縱桿生成機器人的陸地側向翻滾、側向蜿蜒動作以及水下運動[53]。但是，該機器人無法在狹小空間諸如管道內運動，為此，該實驗室研制了一種蠕動式行進的蛇形機器人“Slim Slime robot”[54] (圖 24)，由 6 個可伸縮的模塊構成，依靠氣動引起模塊的伸縮進行行走，行進速度最高 60 mm/s，拓展了蛇形機器人的工作空間。該階段，蛇形機器人的越障能力一直是困擾研究人員的一大難題。針對該問題，美國密歇根大學 2005 年成功開發了一款采用履帶驅動的蛇形機器人“Omni Tread”(圖 25)，具有很強的運動能力并能夠跨越樓梯[55]，提高了仿蛇形機器人的越障能力。卡耐基梅隆大學(CMU)研制的一種模塊化蛇形機器人(圖 26)，由 16 個模塊組成，能夠在空間內實現蜿蜒運動，快速的翻滾，游水以及快速沿著桿以翻滾的姿態進行內攀爬和外攀爬。這在進行攀爬式蛇形機器人方面的研究是一個重大的突破[56]。圖 23 “ACM-R5”機器人 圖 24“Slim Slime robot”機器人圖 25 “Omni Tread” 圖 26 卡耐基梅隆仿蛇形機器人
國內仿蛇形機器人研究開始于 20 世紀末。1999 年上海交通大學顏國正教授研制了我國第一臺微小型仿蛇形機器人，該樣機由一系列剛性連桿連接而成，可以在水平面內做一些簡單的動作[57]。中國科學院沈陽自動化所是國內蛇形機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器人 (圖 27)，能夠實現蜿蜒運動、伸縮運動、側向運動、翻滾運動，同時實現了水陸雙棲功能[58]。另外通過利用神經元控制方法增強了機器人的自主避障能力[59]。此外，北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、燕山大學等也進行了仿蛇形機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 2
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