仿生机器人有哪些类别?

 

根据使用环境不同,机器人可分为水下仿生机器人、空中仿生机器人和地面仿生机器人。

水下仿生机器人是指模仿鱼类或其他水生生物的某些特性而开发的高速、低噪音、机动灵活的新型软体潜水器。 这些仿鱼螺旋桨的效率可达70%至90%。 例如机器鱼、机器蟹等。由于单个水下仿生机器人的活动范围和能力有限,具有高机动性、灵活性、高效性和协作性的群体仿生水下机器人系统将是未来的发展趋势。

空中仿生机器人是具有自主导航能力的无人机。 空中机器人具有独特的优势。 比如它们的活动空间比较宽阔,它们的移动速度也很快,可以不受地形影响在空中飞行等等,这类机器人的应用前景非常好,特别是在军事应用方面。

地面仿生机器人按照行走方式可分为跳跃机器人、轮式机器人、足式机器人和爬行机器人。 例如,有早稻田大学的“WABIAN”、Raibert和Zeglin联合开发的Uniroo、Hyon开发的能成功跳跃的Kenken,还有蛇形机器人或壁虎式机器人等。

在仿生机器人中,人们也非常重视仿人机器人的研发。 人形机器人最大的特点是可以两条腿行走。 两条腿直立行走是人类独特的行走方式。 仿人机器人主要具有仿人的外观、仿人的行走和抓取等基本操作功能。 它们融合了多学科知识和多项高科技技术,代表了机器人的前沿技术。

仿人机器人适应环境的能力比较强,消耗的能量比较少,比较容易与人合作。 然而,正是由于自身特点的制约,仿人机器人的研究还有很长的路要走。 路组得走。 仿人机器人的研究涉及机构科学、材料科学、计算机技术、控制技术、传感器技术、通信技术等多个方面。

仿生机器人研究现状

仿生机器人的出现很好地体现了仿生应用的理念。 如图1所示,人类首先探索了陆基仿生机器人,如中国三国时期的木牛、流马以及1893年Rygg设计的机械马。其次,人类探索了空中仿生机器人。 ,这是第一个模仿鸟类飞行的。 翼飞机设计,达芬奇1485年设计的扑翼机蓝图是世界上第一个按照技术规定进行设计的; 最后是水下仿生机器人的探索。 纵观仿生机器人的发展历史,迄今为止经历了三个阶段。 第一阶段是原始探索期。 这个阶段主要是对生物原型的原始模仿,比如原始飞机,模拟鸟翅膀的扑动。 这个阶段主要是靠人力驱动。 到20世纪中后期,由于计算机技术的出现和驱动装置的创新,仿生机器人进入了第二阶段,即宏观仿生和运动仿生阶段。 该阶段主要利用机电系统实现行走、跳跃、飞行等生物功能,并实现一定程度的人体控制。 进入21世纪,随着人类对生物系统功能特征和形成机制认识的不断深入,以及计算机技术的发展,仿生机器人进入了第三阶段。 机电系统已经开始部分地与生物性能相结合,例如传统结构和仿生学。 材料的融合和仿生驱动的应用。 目前,随着对生物机制的深入认识和智能控制技术的发展,仿生机器人正在发展到第四阶段,即结构与生物特征融为一体的仿生系统,强调仿生机器人不仅具有生物形态特征和运动方式,同时具备生物的自我感知、自我控制等性能特征,更接近生物原型。 例如,随着人类对人脑和神经系统研究的不断深入,仿生脑和神经系统控制已成为该领域科学家关注的前沿。

我国仿生研究起步较晚。 30年来,在国家自然科学基金委的大力资助下,经历了跟踪国外研究、模仿国外成果、本土领域并行推进三个阶段。 例如,北京航空航天大学孙茂教授利用纳维-斯托克斯方程的数值解和涡动力学理论,研究了模型昆虫翅膀在非定常运动时的气动特性,解释了昆虫产生高升力的机制,并提供了微型仿生扑翼飞机的基础。 该设计为昆虫扑动飞行机理的研究提供了理论依据,在国际上占有一席之地。 哈尔滨工业大学刘红教授研制的仿人五指灵巧手,可以灵活移动、抓取物体,技术指标与国外同类产品相当。

如今,仿生机器人有多种类型。 本文主要介绍和分析陆地仿生机器人、空中仿生机器人、水下仿生机器人领域的一些典型研究工作。

陆地仿生机器人

在自然界中,陆地生物有多种运动方式,包括双足运动,例如人类; 多足爬行类,如狗、壁虎等; 无腿运动,例如蛇; 研究人员受到这些生物的组织结构和操作方法的启发,进行了陆地仿生机器人的研究。 主要有仿人机器人、仿生多足移动机器人、仿生蛇机器人和仿生跳跃机器人。

人形机器人

仿人机器人是指具有一定的人类特征,具有一定的运动、感知、操作、学习、联想记​​忆、情感交流等功能的智能机器人。 它们能够适应人类的生活。

生活和工作环境。 这是一个综合了机电一体化、计算机科学、人工智能、传感与驱动技术等多学科的高难度研究方向。 是各种新型控制理论和工程技术的研究平台。 这也是当前仿生机器人技术研究的一个挑战。 关于性的难题之一。 仿人机器人的研究可以促进仿生学、人工智能、计算机科学、材料科学等相关学科的发展,因此具有重要的研究价值和意义。 经过几十年的发展,人形机器人已经从最初实现单元功能、仅模仿人进行简单行走,发展到最初能够感知外部环境的低智能,再到如今融合视觉、触觉等多种技术的机器人。 一个拟人化、高度智能的系统,可以根据外部环境的变化进行自我调整,完成多项复杂的任务。

人形机器人的发展始于 20 世纪 60 年代末的双足步行机器人。 日本早稻田大学首先开展了这方面的研究工作。 开发了WAP、WL、WABOT

该系列机器人可以实现基本的行走功能。 在此期间,日本、美国、欧盟、韩国等国家的许多机构都对人形机器人进行了研究和探索,并取得了许多突破性的成果。 例如,1986年,美籍华人郑元芳博士研制出美国第一台人形机器人。 双足行走机器人SD-1及其改进型SD-2。

这一阶段主要是实现机器人的行走功能并实现一定程度的控制。 进入21世纪,随着传感和智能控制技术的发展,仿人机器人具备了一定的感知系统,能够获取外部环境的简单信息,做出简单的判断并相应地调整自己的动作,使其动作更加连续、流畅。 。 例如,本田公司2000年开发的人形机器人“ASMIO2000”不仅具有人类的外观,还可以提前预测下一步动作并改变重心。 因此,转弯时的行走动作连续、平稳,可以行走自如。 这是世界上第一个具有影响力的人形机器人。 索尼2003年推出的“QRIO”机器人首次实现了人形机器人的运行。 后来法国的“BIP2000”机器人、索尼的“SDR”系列机器人、日本JVC开发的“4”机器人、韩国的“HUBO”机器人都实现了站立、上下楼梯、跑步、做运动等复杂任务。 行动。 随着控制理论的发展和控制技术的进步,仿人机器人更加智能,能够实现更加复杂的动作,运行更加稳定,能够根据环境的变化和自身的判断结果自动确定合适的动作。 。 例如,本田公司2011年发布的“ASIMO2011”机器人结合了视觉和触觉物体识别技术,可以执行细节操作,例如拿起瓶子、拧开瓶盖、将瓶子中的液体倒入软纸杯中等。 它还可以根据人的声音进行操作。 、手势等指令来执行相应的动作。 此外,它还具有基本的记忆和识别能力。

美国波士顿动力公司2013年开发的“ATLAS”机器人是当前人形机器人的代表。 除了具有人形外观外,还具有简单的人类识别、判断和决策功能。 它是一个高度智能的人形机器人。 机器人。 机器人可以在传送带上大步前进、躲避传送带上突然出现的木板、从高处跳跃并平稳落地、在陷阱两侧张开双腿行走、单腿站立、受到攻击从侧面。 球用力击中,却没有摔倒。

该公司开发的另一款军用机器人“Petman”被美军用来测试防护服的性能。 除了具有很高的灵活性外,它还可以调节自身的体温、湿度和排汗,模拟人体生理中的自我保护功能。 ,在一定程度上已经具备了人类的生理特征。

仿人机器人的另一个研究方向是仿人手臂和灵巧手指的研究。 从最初的外观仿形和简单运动,发展到集成运动感知、可以实现类似人手抓取等细微操作的机电系统。 1962年加州大学TOMOVIC为伤寒患者设计的“贝尔格莱德”被认为是世界上最早的灵巧手,只能进行简单的动作。 SALISBURY等人设计的“Stanford/JPL”人形手。 1982年首次全面引入位置、触摸、力等传感功能,开创了多指手的实际抓取操作。 在当时乃至现在都是具有代表性的操纵者。 。 此后,机械手朝着更加灵活、智能化的方向发展。 德国航空航天中心DLR于2010年开发的手臂关节系统“Hasy”机械臂共有21个自由度。 它是第一款采用仿生关节进行手指设计的多指灵巧手。 手指关节的运动模仿人手。 表面接触滑动而非简单的旋转使其运动特性更接近人类手指的运动特性。

国内仿人机器人的研究起步较晚。 国防科技大学2000年研制的“先锋”是我国第一台人形机器人。 后来,2002年北京理工大学研制的人形机器人“BHR”在系统集成技术上取得了突破,实现了无需外部电缆的行走。 它可以在未知的地面上稳定行走并执行太极表演等复杂动作。 哈尔滨工业大学研制的“HIT”系列双足行走机器人实现静态步态和动态步态行走,可完成前进/后退行走、侧向行走、转弯、上下台阶、上坡等动作。 清华大学研发的仿人机器人“THBIP”采用独特的传动结构,成功实现了无缆绳平地连续稳定行走、连续上下台阶以及挑水、打太极、点头等动作。 北京理工大学2011年研制成功的“汇通5号”仿人机器人代表了我国现阶段仿人机器人的最高水平。 具有视觉、语音对话、力觉、平衡感等功能,突破了基于高速视觉的灵巧性。 运动控制、全身协调、自主响应等关键技术,让机器人拥有了“超强”的运动能力。 此外,浙江大学还研发了人形机器人,通过轨迹预测方法提高机器人处理复杂情况的能力。 ,实现机器人打乒乓球的动作。

在人形手臂和灵巧手指的研究方面,北航开展研究较早。 1993年成功研制出我国第一只三指手“BUAA-I”,及其后续改进型“BUAA-II”和“BUAA-II”。 BUAA-III型三指手相继问世。 上海交通大学自2005年开始开展基于脑电图的机械臂操作研究,重点研究如何提高假手的操作功能和灵巧度,开发更先进的生物/机械系统接口。 在此基础上,开发了“具有“人手”功能的新一代假手。哈尔滨工业大学与德国DLR联合开发的仿人五指灵巧手“HIT/DLRHand”具有多项功能。 -感知能力强,动作灵活,具有类似人的抓取过程,可以完成向前捏、三指捏、柱状抓取等人手的大部分抓取功能,目前仿人机器人的研究已在关键机械单元、整体运动、动态视觉等诸多方面都取得了突破,但距离人类运动的灵巧性和控制的自主性还有很大差距,仿人机器人的最终发展目标不仅仅是模仿人类外观和运动,而且还要接近人类的思维和行为,能够通过与环境的交互不断获取新知识,自主完成各种任务,并自行适应结构。 化或非结构化的动态环境。

仿生多足移动机器人 仿生多足移动机器人的灵感源自大自然

爬虫类生物。 研究人员从狗、壁虎、螃蟹和蟑螂等爬行动物中汲取灵感,设计了模仿它们的结构。 由于其良好的地形适应性,近20年来一直是一个非常活跃的研究领域,并引起了世界各地各个研究机构的关注。 经过几十年的探索,仿生多足移动机器人的机理和控制得到了长足发展,从单纯模仿生物运动发展到具有智能控制和良好环境感知能力、更接近生物原型的移动机器人。

20世纪60年代中期,通用电气公司开发了四足行走机器人“Mosher”,它采用人类控制的方式来模拟四足生物的行走。 这是仿生多足移动机器人技术发展史上的一个里程碑。 此后,随着计算机技术的进步,能够独立控制自身动作的机器人相继出现。 例如,日本东京工业大学研制的“TITAN”系列四足行走机器人,具有多种运动步态,可以在倾斜的楼梯上行走。 美国波士顿动力公司2008年开发的“Bigdog”机器人是多足运动机器人的代表。 它具有环境感知力和良好的适应能力,并且具有良好的平衡性。 即使被侧面的物体击中,它也能迅速调整脚步。 状态恢复平衡。 它可以爬山坡、穿越雪地、在碎石路上行走、上下楼梯、在滑溜溜的冰面上行走,甚至可以跳过单杠,还可以用于军事运输。 该公司2013年开发的最新“猎豹”机器人可以冲刺、急转弯、突然停止,更接近生物原型的运动。 其运行速度可达46km/h,是目前速度最快的仿生多足移动机器人。

有学者基于昆虫的爬行运动机制研制了仿生多足机器人。 美国凯斯西储大学研制的类蟋蟀爬行机器人是仿生昆虫机器人的代表。 它能在一定范围内行走、跳跃,适应崎岖地形,灵活奔跑、转弯、躲避障碍物。

加拿大麦吉尔大学、密歇根大学、加州大学伯克利分校、卡内基梅隆大学等机构在美国国防高级研究计划局(DARPA)的资助下开发了“RHex”系列足式机器人,拥有六和一条半腿。 弧线的“弹力腿”可以轻松实现快速行驶、跳跃、翻转和攀爬。 研究人员还开发了爬墙机器人,其灵感来自于壁虎在垂直墙壁上行走的能力。