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仿生机器人的研究进展


第 23 卷第 5 期 2001 年 9 月 文章编号 : 1002-0446( 2001) 05- 0463-04

机器人 ROBOT

Vol. 23, No. 5   Sept . , 2001

仿生机器人的研究进展
马 光
( 温州大学机械工程学院 浙江  325027)

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摘 要 : 随着机器人技术的发展 , 仿生机器人的研究正受到学者们的普遍关注 . 本文在对 仿生机器人分类的基 础上进行了研究现状和主要 研究问题的综述 , 并对其未来发展进行了展望 . 关键词 : 仿生机器人 ; 进展 ; 灵活性 中图分类号 :   TP 24     文献标识码 :   B

RESE ARCH E VOLUTION ON BIOROBOTICS
MA Guang
( M echanical E ng ineeri ng Col leg e, Wenzhou Universi ty, Zhej iang , 325027)   Abstr a ct : With the development of robotics , resear cher s ar e paying mor e and mor e attention to the r esearch on

biorobotics . T his paper descr ibes the pr esent situat ion and primary resear ch problems based on the classification of biorobotics. F urt her , it for ecasts the fut ur e of bior obotics.   Keywor ds : bior obotics, evolution, flexibility

1 引言( Int roduction )
从机器人的角度来讲, 21 世纪将是一个自治机 器人的世纪. 随着机器人的工作环境和工作任务的 复杂化 , 要求机器人具有更高的灵活性、 可靠性、 准 确性、 稳定性和更强的适应性. 自 80 年代中期以来 , 为了回避障碍、 回避奇异、 回避关节极限 , 提 高机器 人操作臂的灵活性和扩展其运动范围, 具有 7 个自 由度 ( DOF) 的仿人机械手臂成为研究的热点 ; 为了 使机器人的末端操作器对不同形状和不同性质的物 体具有抓、 握、 夹、 拿等功能, 灵巧手的研制得到了机 器人学者的青昧 ; 为了使机器人的移动更具灵活性、 适应不同的地面情况, 仿人双足步行机器人越来越 受到重视 ; 而对于能在各类复杂细小管道内、 人体肠 道 内爬行及各种 复杂地带 上运动 ( 爬行、 行走和 跳 跃 ) , 以实现各种检测、 勘探和侦察等任务为目标的 仿非人生物机器人也得以进一步发展 . 因此 , 具有高 度柔性 和灵巧动作 的各类仿 生机器人 正在不断 进 化 , 并成为机器人家族中的重要成员 .

2 仿生机器人的基本概念及其分类 ( Conception and classification of bior obots)
众所周知 , 自然界中的生物以其多彩多姿的形 态、 灵巧机敏的动作活跃于自然界. 这其中人类灵巧 的双手和可以直立行走的双足是最具灵活特性的, 而非人生物的许多机能又是人类无法比拟的. 如柔 软的象鼻子 , 可以在任意管道中爬行的蛇, 小巧的昆 虫等 . 因此, 自然界生物的运动行为和某些机能已成 为机器人学者进行机器人设计、 实现其灵活控制的 思考源泉, 导致各类仿生机器人不断涌现. 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 . 仿生机器人的类型很多 , 为对其有清楚 的认识, 我们按其模仿特性进行分类 , 分类情况如图 1 所示. 其中 , 仿人手臂型主要是研究 7 自由度和多 自由度的关节型机器人操作臂、 多指灵巧手及手臂 和灵巧手的组合 ; 仿人双足型主要是研究双足步行 机器人机构 ; 宏型仿非人生物机器人主要是研究多 足步行机器人 ( 四足、 六足、 八足 ) , 蛇形机器人 , 水下 鱼形机器人等, 其体积结构较大; 微型仿非人生物机 器人主要是研究各类昆虫型机器人 , 如仿尺蠖虫行

X 收稿日期 : 2001- 01- 03

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     机 器 人

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进方式的爬行机器人, 微型机器狗, 蟋蟀微机器人 , 蟑螂微机器人 , 蝗虫微机器人等 . 仿生机器人的主要 特点 : 一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器 人 , 机构复杂 ; 二是其驱动方式有些不同于常规的关 节型机器人, 采用绳索或人造肌肉驱动.

仿人型步行机器人是目前机器人技术的前沿课 题, 是具有挑战性的技术难题之一. 日本本田公司和 大阪大学联合推出的 P 2 和 P9 型仿人步行机器人代 表了当今世界的最高水平 . P 2 型机器人高 1. 8m, 重 210kg , 具有 30 个自由度 , 完全模 拟人体结构. 美国 的 MIT Leglab 有两个小组在从事仿人步行机器人 的研究, 已完成的项目包括一个重 22kg 的平面型机 器人 . 英国的影子计划近年取得了很大成效, 他们应 用塑料和胶制造出了可模拟人肌肉的材料 , 并利用 肌肉驱动方式完成了一个双足步行机器人的制造, 腿部肌肉共有 22 块, 位置与作用完全模拟人体的结 构. 仿非人生物机器人的研究近二十年来一直是一 个非常活跃的领域 , 国外很多研究机构和公司在进

图 1 仿生机器人 分类 Fig. 1  Classification of biorobots

行这方面的研究和开发. Keisuke Arikawa 等研究的 T ITAN - ?型四足步行机器人能够以稳定的方式在 不平的地面行走 , 可以以非接触方式绕过地面上的 障碍 , 能够向任何方向运动, 同时腿的自由度可以用 于工作. 罗尔斯罗伊斯公司在为英国核潜艇建造并 保养压力水反应堆时应用了蛇形机器人 , 其各关节 间用虎 克通用 接头连 接, 每 个联 节最 大可 弯曲 30 度. 美国 NASA 正在研究一种蛇形机器人, 它将用于 太空的探索 , 其是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 . T akaharu Ldagki 等 人研制出了带 步进压电 移动机构 的管内探 伤机器 人, 其直径为 5. 5mm, 长 20mm , 重 1g , 可以在直径为 8mm 的管中行走 . 1999 年日本研制的宠物狗 AIBO ERS-110 具有 18 个关节, 每个关节由伺服电机驱动 以保持柔性运动 . CWRU 的仿生机器人实验室研究 了基于蟋蟀运动机能的机器人, 其共有六条腿 , 后两 条腿较长, 有两个关节 . 各腿的运动通过压缩空气来 驱动 , 它可以在一定的范围内行走和跳跃, 能够适应

3  仿生机器人的国内外研究现状( Research present situation of biorobots)
由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的 生产和科学研究 活动有着极大 的帮助, 所以 , 自 80 年代中期以来, 机器人科学家们就开始了有关仿生 机器人的研究 . 自 1983 年以来, 美国 Robot ics Research Corporat ion 以拟人臂组合化为设想 , 基于系列关节研制出 K-1607 等系列 7 自由度拟人单臂和 K/ B-2017 双臂 一体机器人, 其单臂 K/ B-2017 已用于空间站实验 . 1986 年美国 U t ah 大学工程设计中心研制成功了著 名 的 U TAH / MIT 灵巧 手, 该 手有 四指 , 拇 指两 关 节 , 其余三指各有三关节 , 手指关节绳索驱动并设有 张力传感器 . 1990 年由贝尔实验室完成了灵巧手的 软硬件控制系统 , 并模拟人手拿、 夹、 抓、 握物体多种 动作进行了实验. 1992 年日本 Machinery Laborat ory, Jakasago Research & Development Center 进行 多指仿人手臂真实作业的研究, 系统由主从手臂及 传感控制系统组成. 其灵巧手有四指, 每指有三个关 节 , 手具有十四个自由度 . 随着多指灵巧手研究的发 展 , 具有灵巧手的仿人臂及其系统的研究愈来愈受 到重视. 美国 CED, Sar cos 研究公司, 贝尔实验室和 能源部等联合开发了具有手的仿人臂, 并推出了新 型灵巧遥控操作系统 DT S. 其中的灵巧臂 ( DA ) 是液 压式 10 自由度手臂 ( 包 括三自由 度的手 ) . 1995 年 Bologna 大学在 PU MA 机器人基础上设计研制成有 三指灵巧手的仿人臂系统.

粗糙地带和障碍. 国内一些科研院所, 如北航、 北科大、 国防科大、 东南大学、 沈阳自动化所和哈工大等进行了仿生机 器人的研究. 北航机器人研究所在国家“ 863” 智能机 器人主题支持下 , 研制出了能实现简单抓持和操作 作业的 3 指 9 自由度灵巧手 . 沈阳自动化所研制开发 的 6000m 水下自治机器人达到世界先进水平 . 哈工 大机器人研究所研制了高灵活性的仿人手臂及拟人 双足步行机器人. 其仿人手臂具有工作空间大、 关节 无奇异姿态、 结构紧凑等特点 . 通过软件控制可实现 避障、 回避关节极限和优化动力学性能等. 双足步行 机器人为关节式结构 , 具有 12 个自由度, 可以完成

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马 光 :  仿 生机器人的研究进展

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平地前进、 后退、 侧行、 转向和上下阶梯等步行功能. 关于仿生机器人的研究 , 美国和日本走在前列 , 此外加拿大、 英国、 瑞典、 挪威、 澳大利亚等国也都在 开展这方面的技术研究 .

5   仿 生 机 器 人 的 发 展 趋 势 ( Development trend of bior obots)
先进制造技术的发展对仿生机器人的研究正起 着积极的促进作用 . 随着先进制造技术的发展 , 工业 机器人已从当初的上下料功能向高度柔性、 高效率 和精密装配功能转化 , 因此, 开发面向先进制造环境 的仿人机械臂及灵巧手有大量的理论与实践工作要 做. 目前运行的绝大多数机器人 都是固定式的, 它 们只能固定在某一位置上进行操作 , 因而其应用范 围和功能受到限制 . 近年来, 对移动机器人的研究受 到越来越多的重视 , 使机器人能够移动到固定式机 器人无法达到的预定目标 , 完成设定的操作任务 . 移 动机器人中绝大多数是仿生机器人 , 包括步行机器 人和爬行机器人等 . 仿生移动式机器人在工业、 农业 和国防上具有广泛的应用前景 , 它们能用于卫星探 测、 军事侦察、 危险的废料处理以及农业生产中. 为了开拓机器人新市场 , 向非制造业扩展是机 器人发展的一个重要方向 . 在非制造业中的医疗、 娱 乐和社会福利等方面的仿生机器人有很好的发展前 景. 如用于外科手术的多指手、 仿生机器人玩具、 老 年人或卧床不起病人护理机器人和人工肢等 . 科学家预言 , 21 世纪的尖端技术之一是微型机 器人. 仿生微型机器人可用于小型管道进行检测作 业, 可进入人体肠道进行检查和实施治疗而不伤害 人体, 也可以进入狭小的复杂环境进行 作业, 因此, 机器人的小型化和微型化是一个发展趋势.

4  仿生机器人的主要研究问题 ( Pr imar y re sear ch problems of biorobots)
4. 1 建模问题 仿生 机器人的 运动具有 高度 的灵活 性和适 应 性 , 其一般都 是冗余度 或超冗余 度机器人 , 结构 复 杂 . 运动学和动力学模型与常规机器人有很大差别 , 且复杂程度更大. 为此 , 研究建模问题 , 实现 机构的 可控化是研究仿生机器人的关键问题之一 . 4. 2 控制优化问题 机器人的自由度越多 , 机构越复杂, 必将导致控 制系统的复杂化. 复杂巨系统的实现不能全靠子系 统的堆积 , 要做到“ 整体大于组分之和” , 同时要研究 高效优 化的控制算 法才能使 系统具有 实时处理 能 力. 4. 3 信息融合问题 在仿生机器人的设计开发中, 为实现对 不同物 体和未知环境的感知 , 都装备有一定量的传感器, 多 传感器的信息融合技术是实现其具有一定智能的关 键 . 信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或 不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加 以综合 , 消除多传感器信息之间可能存在的冗余和 矛盾 , 从而提高系统决策、 规划、 反应的快速 性和正 确性. 4. 4 机构设计问题 合理的机构设计是仿生机器人实现的基础 . 生 物的形态经过千百万年的进化, 其结构特征极具合 理性 , 而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能 的 , 只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基 础上提取其精髓进行简化, 才能开发全方位关节机 构和简单关节组成高灵活性的机器人机构 . 4. 5 微传感和微驱动问题 微型仿生机器人有些已不是传统常规机器人的 按比例缩小, 它的开发涉及到电磁、 机械、 热、 光、 化 学、 生物等多学科 . 对于微型仿生机器人的制造 , 需 要解决一些工程上的问题. 如动力源、 驱动方式、 传 感集成控制以及同外界的通讯等, 实现微传感和微 驱动的一个关键技术是机电光一体结合的微加工技 术 . 同时, 在设计时必须考虑到尺寸效应、 新材料、 新 工艺等问题.

6 结论( Conclusion)
仿生机器人是机器人家族中 的重要成员, 其所 具有的高度灵活性和柔性已受到机器人学者的广泛 关注 . 本文首先对仿生机器人进行分类 , 然后对仿生 机器人的研究现状及主要研究问题进行了综述, 最 后对仿生机器人系统的未来发展趋势进行了展望 . 参考文献  ( Refer ences )
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     机 器 人

2001 年 9 月
Proc 2000 IEEE Int Conf On R obotics and Aut om at ion. San Francisco, CA. April 2000: 414- 422

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作者简介 :
 马  光 ( 1964-) , 男 , 工学博 士 . 副教 授 . 研 究领 域 : 冗余 度 机器人运动 学、 动 力学及运 动控制 , 神经 网络控 制 技术 .

( 上接第 462 页 )

参考文献  ( References )
1  M . 伍科布拉托 维奇 著 , 马培 荪, 沈乃 熏 译 . 步行机 器人和动力 型假肢 . 科学出版社 , 1983 2   Kazuo Hirai, Masat o Hiros e, Yuji Haikawa & T oru Takenak a. Th e Development of Honda Humanoid Robot , 0-7803-4300-x-5/ 98 $ 10. 00 1998 IEEE 3  Qin ghua Li, At suo T ak anis hi and Ichiro Kat o. A Bip ed Wal king Robot Having A ZMP Meas urement Syst em Usin g Universal Force-Moment Sensors , IEEE/ R SJ Int ernat ional Wor ksh op on In-

t ell igen t R ob ot s and Syst ems IROS'91, Nov. 3- 5, 1991

作者简介:
  刘 莉 ( 1965- ) , 女 , 博士后 . 研究 领域 : 机器 人技 术 , 机 器人传感器技术 , 控制技术 .   汪劲松 ( 1964- ) , 男 , 教授 , 博导 . 研究 领域 : 足式 移动 机 器人 , 先进制造装备控制与系统 , 绿色设计 .   陈 恳 ( 1954-) , 男 , 教授 , 博导 . 研究领域 : 机器人学 , 机 电系统控制 , 制造自动化 .


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