仿生机器人的研究现状及其发展方向.doc
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1、学 号 1210111188 论文题目 仿生机器人的研究进展及发展趋势 学生姓名 颛孙鹏 院 别 机械工程学院 专业班级 12机自(3)班 指导教师 周妍 仿生机器人的研究进展及其发展趋势摘要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注。主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望。关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变
2、成了现实。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员。1仿生机器人的基本概念仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类。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,通常采用绳索、人
3、造肌肉或形状记忆合金等驱动。2仿生机器人的国内外研究现状2.1水下仿生机器人水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大。在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压。由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展。鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105km/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h。所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法
4、比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象。仿鱼推进器效率可达到70%90%,与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多,有效地解决了噪音问题。美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人。在国内,中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机。美国罗克威尔公司和IS机器人公司研制的扫雷机器蟹,得到了美国国防高级研究计划局及海军研究局的资助。这种扫雷机器蟹可以隐藏在海浪下面,在水中行走,也可以通过振动,将整个身子隐藏在泥沙中。扫雷机器蟹长约560mm,重10.4kg。它还装备了多个状态传感器和集成的控制系统,并且每条腿都具有2个运动自由度
5、,当地形改变时,通过这些系统可迅速地调整机器人的姿态和运动方式,使机器人能稳定、迅速地到达目标区域。当遇到水雷时,就把它抓住,等待控制中心的命令。一旦收到信号,就会自己爆炸,同时引爆水雷。水下机器鱼和机器蟹的灵活性远远高于现有的潜艇,几乎可以达到水下任何区域,由人遥控,它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴,可用于测绘海洋地图,检测水下污染,拍摄海洋生物。也可以悄悄地溜进敌方的港口,进行侦察而不被发觉。作为军用侦察和科学探索的工具,其发展和应用的前景十分广阔。2.2空中仿生机器人空中机器人即具有自主导航能力,无人驾驶的飞行器。这类机器人活动空间广阔、运动速度快,居高临下而不受地形限制。在军事、
6、森林火灾以及灾难搜救中,前景极好。其飞行原理分为:固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究。它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理,将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统,可以用很小的能量做长距离飞行,同时具有较强的机动性,适合于长时间无能源补给及远距离条件下执行任务。美国加州大学伯克利分校的科学家们利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”。他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺,造出了只有长10mm,宽3mm,厚0.005mm的仿生翅膀。它能够每秒钟扇动150下,而且还让机器蝇实现了绑在一根细线上的半自主飞行。其重量只有0.1g,身高不到30mm,在
7、100m上空飞行,人们用肉眼几乎发现不了它,而它却可以拍出极为清晰的照片传回来。美国五角大楼对有望成为“微型间谍”的机器蝇极为重视,设想机器蝇在未来战争中,可以进行空中侦察,甚至可以带上微型炸药,袭击指定目标。在未来的机器蝇身上,将安装许多传感器和微型摄像机,可以用来发现森林火灾,在灾难中搜寻废墟中的幸存者。2.3地面仿生机器人美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究,并研制出许多样机。日本东京大学的Hirose教授从仿生学的角度,在1972年研制了第一台蛇形机器人样机。美国卡内基-梅隆大学近日研究出一种可以攀爬管道的蛇形机器人,这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成,最大
8、也只有成人手臂大小。机器人配有摄像机和电子传感器,可以接受遥控指挥。蛇形机器人可以成功上下一根塑料管道,并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由。让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭,能更快地找到幸存者,为灾难救援工作带来了技术突破。在国内,上海交通大学、中科院沈阳自动化研究所、国防科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机。这条长1200mm,直径60mm,重1.8kg的机器蛇,能扭动身躯,在地上或草丛中蜿蜒爬行,可前进、后退,转弯和加速,最大前进速度可达20m/min,披上特制的“蛇皮”后还能像蛇一样在水中游泳。机器蛇头部安装有视频监视器,可以将机器蛇运动前方的情况实时传输到电脑中,科研人
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