仿生机器人
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仿生机器人
Ⅰ、研究背景
自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物 , 每种生物都 拥有神奇的特性与功能,能够在复杂多变的环境中生存下来。因此,人类 通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能 , 可以极大的 提高人类对自然的适应和改造能力,产生巨大的社会经济效益。
• 仿生学（Bionics） 仿生学诞生于20世纪60年代, 是生 物科学和工程技术相结合的一门边缘学 科,通过学习、模仿、复制和再造生物 系统的结构、功能、工作原理及控制机 制,来改进现有的或创造新的机械、仪 器、建筑和工艺过程。
Ⅲ、仿生机器人国内外研究情况
现代仿生学已经延伸到很多领域,机器人学是其主要的结合和应用领 域之一,这方面的研究引起各国相关研究人员和专家的极大兴趣和关注,取 得了大量可喜成果和积极进展。
• 空中仿生机器人
飞行机器人即具有自主导航能力的无人驾驶飞行器。
• 美国机器蝇 美国加州大学伯克利分校的研究小组 用了4年的时间基于仿生学原理制造出了世 界上第一只能飞翔的机器苍蝇，其身高不 到30mm,翼展25mm,翼振频率150Hz,重量只 有100mg。 若在机器蝇身上安装许多传感器和微 型摄像机，可广泛应用于环境监测，废墟 救援以及军事间谍等领域。
• 机器飞虫 图为美国哈佛大学微型机器人实验室 设计的一种能扑打翅膀飞行的微型机器飞 虫，其机翼张开仅为3厘米。 机器飞虫的振动机翼是仿照自然界昆 虫翅膀的大小和振动频率用特殊方法制成 的，它能检测分析多重压力，在翅膀以每 秒超过100次的速率振动时，还能观察包围 机翼的气流的变化。 • 德国机器鸟 左图为德国科技公司费斯托(FESTO) 的科学家发明的一种叫做SmartBird的机 器鸟，它可以自主地启动、飞翔和降落， 灵活程度可以和真正的鸟相媲美。 极简的用料和轻量的结构使得资源和 能源的消耗降到最低。
• 水下仿生机器人
水下机器人又称为水下无人潜器，是一种工作于水下的极限作业机 器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危 险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。 • 机器鱼 鱼类的高效、快速、机动灵活的水 下推进方式吸引了国内外的科学家们从 事仿生机器鱼的研究。 仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的 推进机理，利用机械、电子元器件或智 能材料来实现水下推进的装置。美国、 英国埃塞克斯大学的环境检测机器人 日本等国的科学家们研制出了各种类型 的仿生机器鱼实验平台和原理样机。 主要用于环境检测和绘制3D污染图
• 机器蜘蛛 左图为美国宇航局喷气推进实验室于 2002年12月研制成功的机器蜘蛛Spiderpot。 该机器蜘蛛上装有一对可以用来探测 障碍的天线，且拥有异常灵活的腿。它们 能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动 前进的机器人无法抵达的区域。机器蜘蛛 一类微型仿生机器人非常适合勘探彗星、 小行星等小型天体。在国际空间站上它们 可以充当维护员，及时发现空气泄漏等意 外故障。
• 蛇形机器人 蛇形机器人的运动方式是典型的无肢 运动。 左上图是美国宇航局研究的用于火星 探测的高柔性、高冗余性蛇形机器人第三 代模型。其外形类似眼镜蛇，长而细，能 够收缩、侧行、跳过低障碍物，它可以钻 进火星的松散土壤中，并探测其他的机器 人探测器无法到达的深度，还能滑进行星 表面的裂缝中。 左下图是国防科技大学2001年研制的 蛇形机器人。这条长1.2m,直径0.06m,重1. 8kg的机器蛇,能扭动身躯,在地上或草丛中 婉蜒爬行,可前进、后退,拐弯和加速,最大 前进速度可达每分钟20m,披上特制的“蛇 皮”后还能像蛇一样在水中游泳。
• 仿生建筑
• 仿生交通工具
• 仿生家俱
Ⅱ、仿生机器人技术概述
• 什么是仿生机器人（Bionic Robot）？ 仿生机器人是指自然界中生物的外形、运动原理或行为方式 的系统，并且能从事生物特点工作的机器人； • 仿生机器人特点： 1）机构较为复杂，大多为冗余自由度或超冗余自由度的机 器人； 2）驱动方式通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金，异 于常规的关节型机器人采用的电机驱动等方式；
日本三菱开发的观赏古探索
• 仿生水母 美国海军研究办公室最新研制一种 “机器水母”，它可用于监测水面舰船和 潜艇，探测化学溢出物，以及监控回游鱼 类的动向。 仿生水母是一种模仿水母运动机理以 及外形柔软的机器人。由生物感应记忆合 金制成的细线连接，当这些金属细线被加 热时，就会像肌肉组织一样收缩。
• 陆地仿生机器人
• 仿人机器人 在仿人机器人领域，日本和美国的研 究最为深入。日本方面侧重于外形仿真， 美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。国 防科技大学也于2001年12月独立研制出了 我国第一台仿人机器人。 左图为日本本田公司研制的仿人机器 人ASIMO，是目前世界上最先进的仿人行走 机器人。ASIMO身高1.3米，体重54公斤， 它的行走速度是0-6km/h。最新版ASIMO， 除具备了行走功能与各种人类肢体动作之 外，更具备了人工智慧，可以预先设定动 作，还能依据人类的声音、手势等指令， 来从事相应动作，此外，他还具备了基本 的记忆与辨识能力。
• 机器蛙 在崎岖多障碍的外星表面，跳跃显然 是一种理想的行动方式，在低重力环境下， 跳跃更是一种高效使用能量的运动方式。 左图为美国宇航局喷气推进实验室研制的 机器蛙形状有点像青蛙，质量不超过1.3千 克。 机器蛙腿的膝部装有弹簧，能像青蛙 那样先弯起腿，再一跃而起。蛙身装有小 马达、传感器、照相机、小型电脑和太阳 能电池极等部件。
Ⅳ、仿生机器人研究中亟需解决的问题
• 体积重量过大 • 平台承载能力不强 • 视觉研究不成熟
• 步行敏捷性不强
• 控制方法控制算法需要改进 • 供能续航问题
Ⅳ、仿生机器人研究发展方向
微型化 将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一 块硅片上,构成微机电系统； 仿生机器人的仿形 仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性 可重构机器人（模块化和可重组）； 实用性； 仿生机器人群（机器人生产线、无人作战机群）； 随着科技的发展,机器人应用越来越广泛。仿生机器人 作为机器人家族中的重要成员,具有高度灵活性和柔性,还 具有高度的易复制性,这就决定了仿生机器人在21世纪必将 出现更多的种类,仿生机器人也将得到更深入的应用。
Ⅰ、研究背景
自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物 , 每种生物都 拥有神奇的特性与功能,能够在复杂多变的环境中生存下来。因此,人类 通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能 , 可以极大的 提高人类对自然的适应和改造能力,产生巨大的社会经济效益。
• 仿生学（Bionics） 仿生学诞生于20世纪60年代, 是生 物科学和工程技术相结合的一门边缘学 科,通过学习、模仿、复制和再造生物 系统的结构、功能、工作原理及控制机 制,来改进现有的或创造新的机械、仪 器、建筑和工艺过程。
Ⅲ、仿生机器人国内外研究情况
现代仿生学已经延伸到很多领域,机器人学是其主要的结合和应用领 域之一,这方面的研究引起各国相关研究人员和专家的极大兴趣和关注,取 得了大量可喜成果和积极进展。
• 空中仿生机器人
飞行机器人即具有自主导航能力的无人驾驶飞行器。
• 美国机器蝇 美国加州大学伯克利分校的研究小组 用了4年的时间基于仿生学原理制造出了世 界上第一只能飞翔的机器苍蝇，其身高不 到30mm,翼展25mm,翼振频率150Hz,重量只 有100mg。 若在机器蝇身上安装许多传感器和微 型摄像机，可广泛应用于环境监测，废墟 救援以及军事间谍等领域。
• 机器飞虫 图为美国哈佛大学微型机器人实验室 设计的一种能扑打翅膀飞行的微型机器飞 虫，其机翼张开仅为3厘米。 机器飞虫的振动机翼是仿照自然界昆 虫翅膀的大小和振动频率用特殊方法制成 的，它能检测分析多重压力，在翅膀以每 秒超过100次的速率振动时，还能观察包围 机翼的气流的变化。 • 德国机器鸟 左图为德国科技公司费斯托(FESTO) 的科学家发明的一种叫做SmartBird的机 器鸟，它可以自主地启动、飞翔和降落， 灵活程度可以和真正的鸟相媲美。 极简的用料和轻量的结构使得资源和 能源的消耗降到最低。
• 水下仿生机器人
水下机器人又称为水下无人潜器，是一种工作于水下的极限作业机 器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危 险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。 • 机器鱼 鱼类的高效、快速、机动灵活的水 下推进方式吸引了国内外的科学家们从 事仿生机器鱼的研究。 仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的 推进机理，利用机械、电子元器件或智 能材料来实现水下推进的装置。美国、 英国埃塞克斯大学的环境检测机器人 日本等国的科学家们研制出了各种类型 的仿生机器鱼实验平台和原理样机。 主要用于环境检测和绘制3D污染图
• 机器蜘蛛 左图为美国宇航局喷气推进实验室于 2002年12月研制成功的机器蜘蛛Spiderpot。 该机器蜘蛛上装有一对可以用来探测 障碍的天线，且拥有异常灵活的腿。它们 能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动 前进的机器人无法抵达的区域。机器蜘蛛 一类微型仿生机器人非常适合勘探彗星、 小行星等小型天体。在国际空间站上它们 可以充当维护员，及时发现空气泄漏等意 外故障。
• 蛇形机器人 蛇形机器人的运动方式是典型的无肢 运动。 左上图是美国宇航局研究的用于火星 探测的高柔性、高冗余性蛇形机器人第三 代模型。其外形类似眼镜蛇，长而细，能 够收缩、侧行、跳过低障碍物，它可以钻 进火星的松散土壤中，并探测其他的机器 人探测器无法到达的深度，还能滑进行星 表面的裂缝中。 左下图是国防科技大学2001年研制的 蛇形机器人。这条长1.2m,直径0.06m,重1. 8kg的机器蛇,能扭动身躯,在地上或草丛中 婉蜒爬行,可前进、后退,拐弯和加速,最大 前进速度可达每分钟20m,披上特制的“蛇 皮”后还能像蛇一样在水中游泳。
• 仿生建筑
• 仿生交通工具
• 仿生家俱
Ⅱ、仿生机器人技术概述
• 什么是仿生机器人（Bionic Robot）？ 仿生机器人是指自然界中生物的外形、运动原理或行为方式 的系统，并且能从事生物特点工作的机器人； • 仿生机器人特点： 1）机构较为复杂，大多为冗余自由度或超冗余自由度的机 器人； 2）驱动方式通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金，异 于常规的关节型机器人采用的电机驱动等方式；
日本三菱开发的观赏古探索
• 仿生水母 美国海军研究办公室最新研制一种 “机器水母”，它可用于监测水面舰船和 潜艇，探测化学溢出物，以及监控回游鱼 类的动向。 仿生水母是一种模仿水母运动机理以 及外形柔软的机器人。由生物感应记忆合 金制成的细线连接，当这些金属细线被加 热时，就会像肌肉组织一样收缩。
• 陆地仿生机器人
• 仿人机器人 在仿人机器人领域，日本和美国的研 究最为深入。日本方面侧重于外形仿真， 美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。国 防科技大学也于2001年12月独立研制出了 我国第一台仿人机器人。 左图为日本本田公司研制的仿人机器 人ASIMO，是目前世界上最先进的仿人行走 机器人。ASIMO身高1.3米，体重54公斤， 它的行走速度是0-6km/h。最新版ASIMO， 除具备了行走功能与各种人类肢体动作之 外，更具备了人工智慧，可以预先设定动 作，还能依据人类的声音、手势等指令， 来从事相应动作，此外，他还具备了基本 的记忆与辨识能力。
• 机器蛙 在崎岖多障碍的外星表面，跳跃显然 是一种理想的行动方式，在低重力环境下， 跳跃更是一种高效使用能量的运动方式。 左图为美国宇航局喷气推进实验室研制的 机器蛙形状有点像青蛙，质量不超过1.3千 克。 机器蛙腿的膝部装有弹簧，能像青蛙 那样先弯起腿，再一跃而起。蛙身装有小 马达、传感器、照相机、小型电脑和太阳 能电池极等部件。
Ⅳ、仿生机器人研究中亟需解决的问题
• 体积重量过大 • 平台承载能力不强 • 视觉研究不成熟
• 步行敏捷性不强
• 控制方法控制算法需要改进 • 供能续航问题
Ⅳ、仿生机器人研究发展方向
微型化 将驱动器、传动装置、传感器、控制器、电源等集成到一 块硅片上,构成微机电系统； 仿生机器人的仿形 仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性 可重构机器人（模块化和可重组）； 实用性； 仿生机器人群（机器人生产线、无人作战机群）； 随着科技的发展,机器人应用越来越广泛。仿生机器人 作为机器人家族中的重要成员,具有高度灵活性和柔性,还 具有高度的易复制性,这就决定了仿生机器人在21世纪必将 出现更多的种类,仿生机器人也将得到更深入的应用。