仿生机器人

仿生制造技术之仿生机器人
1、仿生机器人产生的背景
早在地球上出现人类之前，各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中，获得了与大自然相适应的能力。

生物学的研究可以说明，生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具备了适应内外环境变化的能力。

生物界具有许多卓有成效的本领。

如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等，显示出许多机器所不可比拟的优越之处。

生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已。

仿生制造也正是结合生物的特性所进行制造和研究的一门科学。

与此同时，随着机器人技术的发展，仿生机器人也由此应运而生。

2、仿生制造与仿生机器人的定义
仿生制造：模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程称为“仿生制造”。

它通过模拟生物器官的自组织、自愈、自增长与自进化等功能，以迅速响应市场需求并保护自然环境。

仿生制造是先进制造技术的一个分支 ,是传统制造技术与生命科学、信息科学、材料科学等领域结合 ,是采用生物形式实现制造或以制造生物活体为目标的一种制造方法[1]。

其中仿生机械通过对生物机理、机构的研究 ,创造和完善制造工程科学的概念、原理和结构 ,从而为新产品的生产打下基础。

图1、三元交融模型[1]
图2、仿生制造的研究内容及方法[1]
仿生机器人：包括仿人的和仿生物的机器人两类。

前者模仿人的肌体构造或器官功能，如仿人手、手臂、类人机器人等。

后者模仿各种生物如蚂蚁、象鼻、螃蟹等的功能。

医用微型机器人更需要仿生学的支持。

机器人在人体腔内移动的机理，极可能来自某些生物运动如蜗牛爬行的启发；另外必须弄清与人体腔相关的软组织生物力学，如规律性舒张收缩等因素对微移动机器人的影响。

其中仿生机器人研究的比较多的还是四足仿生机器人，获得的成果有提出了一种基于姿态传感器信息的平衡控制方法通过使用三轴加速度传感器的反馈控制来稳定行走[2]；而仿人机器人技术的一大挑战是赋予智能体自主和自适应的能力，目前做的比较好的是将基于小脑的控制系统嵌入到能够处理动态外部和内部复杂性的仿人机器人中[3]。

2、仿生机器人工作过程
仿生机器人是仿生学与机器人领域应用需求的结合产物，其主要的工作原理就是利用仿生学中的知识，模仿生物的特性，从而在某些环境完成某些工作。

从机器人的角度来看，仿生机器人则是机器人发展的高级阶段问。

生物特性为机器人的设计提供了许多有益的参考，使得机器人可以从生物体上学习如自适应性、鲁棒性、运动多样性和灵活性等一系列良好的性能。

仿生机器人按照其工作环境可分为陆面仿生机器人、空中仿生机器人、水下仿生机器人和水陆两栖仿生机器
人四种，而由于适用范围更广的原因，水陆两栖仿生机器人将比常规驱动方式的机器人有更大应用价值[4]。

目前比较多的是基于智能结构的仿生制造模型，其主要是模仿生物肌体生长与使用功能[5]。

仿生机器人的制造主要分为以下三个阶段：1，对仿生机器人的生物原型和生物机理进行研究；2，用数学的方法，对生物原型进行建模以及表示；3，根据数学模型结合实际最优材料制造出可以在工程上进行试验的实物模型。

[6]
3、仿生机器人作用
仿生机器人由于同时具有生物和机器人的特点，能够适应某些人类无法适应的环境，完成某些人类无法完成的工作，如：
1）代替或部分代替人类去完成危险环境中进行作业；
2）设计微型仿生机器人，进入人体（如肠道、血管）完成手术和定点给药；
3）在外太空地表等复杂行进环境实施勘探等各种作业任务；
4）某些微型仿生机器人由于其本身体形细小，加上合适的伪装后，便于隐身实行军事活动。

4、仿生机器人的优缺点
优点：仿生机器人有很多的有优点，其中最大的优点应用范围广，能够适应很多人类所无法适应的特定恶劣环境，大大降低了人类活动的风险；此外，它还具有发展潜力巨大的优点，由于自然界生物的多样性，这也就意味着能够利用的生物特性具有很多的可能，对于仿生制造而言，也就有了无限的可能。

缺点：虽然仿生机器人有很多的优点，并且具有很大的发展潜力，但是它目前看来，它仍然有很多的缺点，其中最大的局限在于适应性差，只能适应某些特定的环境。

其次稳定性和灵活性也有不足，不能达到自然界中生物的高度。

此外，工作的能耗也大，效率和灵敏度也不高，且造价昂贵。

5、仿生机器人的应用实例————仿生跳跃机器人
跳跃机器人因其高效的弹跳越障性在星际探测、军事侦察及生命救援等领域具有广阔的应用前景和重要的战略意义。

在跳跃机器人研究中，模仿如青蛙、袋鼠、跳蚤、蝗虫等具有跳跃能力生物的形体结构和运动机理，设计与生物相似的跳跃机器人成为新的研究，并不断得到发展和丰富。

近代仿生跳跃机器人的研究开始于1984年美国进行的仿生弹跳机构及仿生跳跃机器人的探索。

经过几十年的发展，仿生跳跃机器人研究由最初对生物的运动模仿阶段，发展到加入新型材料、新型驱动提高跳跃性能的材料与结构仿生阶段，现已逐步向着材料与结构一体化、小型化、微型化方向发展。

图3、仿生跳跃机器人发展历程[6]
（1）比如德国FESTO公司2013年研制成功的仿生袋鼠跳跃机器人，模仿袋鼠的后腿设计弹跳结构，同时通过尾部的摆动增强跳跃及落地过程的稳定性，能实现高效稳定的连续跳跃。

该类机器人侧重提高跳跃高度、距离以及起跳和落地的稳定性。

图4、仿生袋鼠跳跃机器人
（2）又比如北京航空航天大学近年来一直进行的仿生蝗虫跳跃机器人的研究。

通过试验观测蝗虫跳跃过程,分析其后腿结构特点以及跳跃过程中后腿关节运动序列，从机构学角度建立了蝗虫弹跳后腿多关节协调刚柔混合跳跃模型，分析了膝关节、柔性跗足的运动学和动力学特征，计算得到了运动中各关节的扭矩变化情况以及地面对后腿作用力变化情况，揭示了蝗虫刚柔混合跳跃运动机理，为仿生跳跃机器人的研究提供了理论依据,据此设计了具有移动、弹跳和姿态翻转恢复等复合运动能力的仿蝗虫跳跃移动机器人。

并且针对跳跃机器人的空中姿态稳定性也进行了探索性研究，通过试验证明了利用腹部队及翅膀稳定空中姿态方法的可行性。

图5、仿生蝗虫跳跃机器人
随着新型仿生材料的应用以及单元仿生机构、多足协调仿生运动和弹跳仿生储能机构等关键技术的突破，仿生跳跃机器人基本实现了跳跃性能且具有一定的环境适应性，并向着轻量化、微小型化的方向发展。

但现有的仿生跳跃机器人能量利用率较低，且大多面临起跳姿态不可控，起跳后空中姿态不稳，从而导致落地冲击以及倾覆翻转等问题，大多研究还处于试验探索阶段，离实际应用还较远。

利用新型材料、新型驱动，改进结构，提高能量利用率，研制材料与结构-体化的空中姿态稳定的仿生跳跃机器人将是该领域的一大发展趋势。

6、仿生机器人目前存在的问题
1）对生物机理揭示不足，模型建立相对简单；
2）仿生机构设计与驱动方式较传统，相对生物结构的合理性与精巧性相去甚远；
3）高性能新型仿生材料研究不足，已有研究成果尚未得到有效的应用；
4）控制方法较传统，神经控制、肌电控制等仿生控制方法突破不够；
5）生物能量转换机理研究不深，能量转换效率较低；
6）我国的研究仍处在跟踪阶段，未能形成中国特色的仿生机器人研究阵地;
7）实际应用中，由于受到一些不确定因素的影响，很容易导致仿生机器人进行作业时获得的数据不准确，或者给作业带来一定的难度[7]。

7、仿生机器人的发展方向
1）结构微型化：用于小型管道的检测等；
2）可重构机器人(模块化和可重组化)：军事侦察、灾害现场调查；
3）实用化：服务型机器人；
4）仿生机器人群化：机器人生产线、无人作战机群；
5）新型仿生原理机器人化：运动机理的建模、生物行为方式的研究；
6）智能化：非结构环境下具有普遍实用意义的自主步态规划生成及控制。

8、参考文献
[1]宗光华,毕树生.关于21世纪初我国仿生机械与仿生制造的若干思考[J].中国机械工程,2001(10):121-124.
[2]Song Yong,Chen Teng,Hao Yanzhe,Wang Xiaoli. Implementation and dynamic gait planning of a quadruped bionic robot[J]. International Journal of Control, Automation and Systems,2017,15(6).
[3]Capolei Marie Claire,Angelidis Emmanouil,Falotico Egidio,Lund Henrik Hautop,Tolu Silvia. A Biomimetic Control Method Increases the Adaptability of a Humanoid Robot Acting in a Dynamic Environment.[J]. Frontiers in neurorobotics,2019,13.
[4]苏宗帅.水陆两栖仿生机器人研究进展及应用[J].国防技,2019,40(04):50-54.
[5]王青松,傅建中,陈子辰.仿生制造技术研究[J].机电工程,1999(05):187-188.
[6]王国彪,陈殿生,陈科位,张自强.仿生机器人研究现状与发展趋势[J].机械工程学报,2015,51(13):27-44.
[7]贺培.仿生机器人运动控制理论与方法研究[J].科技风,2019(17):206.。