Biomimetic Robots

Abstract

With the advances in technology, intelligent robots, robot applications, the expansion of the study biomimetic robots are causing the concern of researchers around the world. In this paper, a general biomimetic robot description of the status of the development of biomimetic robots are reviewed the technical composition of biomimetic robots are described, presents a biomimetic robots - some of the snake-like robot situation, and biomimetic robots of the future is prospected.

Key words: biomimetic robots, development status, technology components, snake-like robot, prospect

Introduction

Origin of the rapid development of robot technology in recent years, many laboratories robot research results to the industry and the gradual implementation of demand-side of life. As the capital of Chinas telecommunications industry and strong background in precision machinery, in the field of robotics research and development and industrial applications, with sufficient development potential and energy, and therefore the government and industry attention, there is significant progress, the industry applications are slowly taken shape. As the robot working environment and work tasks more complicated, require a higher movement of robot flexibility and adaptability in special unknown environment, robots a simple movement of wheel and caterpillar bodies have a complex can not adapt to changing environments requirements. In the bionic technology, control technology and continuous development of manufacturing technology today, and the imitation of biological humanoid robots have been developed, bio-robot has become an important member of the family robot.

1 Robotics Introduction

Robot is an automatic implementation of the mechanical equipment. It can accept human command, they can run a pre-arranged program can also be formulated in accordance with the principles of artificial intelligence program of action. Its mission is to assist or replace human work, such as manufacturing, construction, or dangerous work.

It can be said to be high-level integration of control theory, mechanical electronics, computers, materials and bionic product. At present in industry, medicine, agriculture, construction and even the military have important applications in such areas.

Now, the international concept of robots has been gradually approaching the same. In general, people can accept the claim that the robot is controlled by its own power and ability to achieve the various functions of a machine. The United Nations Organization for Standardization adopted by the American Federation of Robotics to the robot under the definition: lsquo;a programmable and versatile, used to move materials, parts, tools, operating machines; or to perform different tasks have to change and Programmable action specialized systems.rsquo;

Chinas environment starting from the application of robotics experts, robots are divided into two categories, namely industrial robots and special robot. The so-called industrial robots for industrial areas of multi-joint or multi-DOF robot manipulators. In addition to the special robot is outside of industrial robots used for non-manufacturing and the service of mankind advanced robots, including: service robots, underwater robots, entertainment robots, military robots, agricultural robots, robot-based machinery. In the special robot, some branches have developed rapidly, there is a separate system for trends, such as service robots, underwater robots, military robots, micro-operation of robots. At present, the international robot scholars, starting from the application environment, the robot is also divided into two categories: manufacturing environment of industrial robots and the non-manufacturing environment, the service and humanoid robots, This classification is consistent with ours.

2 Biomimetic Robots

It is well known that the biological nature of their colorful patterns, smart astute moves active in the natural world. This is where skillful hands and feet can be upright walking is the most flexible features. Many of the biological function rather than another human can not match, such as soft as the nose can be in any pipeline crawling snakes, small insects, therefore, natural biological function of exercise behavior, and some scholars have become robots the robot design and flexible control of thought to achieve its source, leading to all kinds of biomimetic robots are constantly emerging, biomimetic robots that mimic the biological nature of the external shape or certain functions of the robot system.

Biomimetic robot refers to the imitation of biology, engaged in biological characteristics of the work of robots. It can mimic the biological nature of the external shape, movement principles and behavior of the system, and can engage in biological characteristics of the work. For example, the snake-like robot insects, robot imitation, imitation fish, robots, bionic and so on. The main features of biomimetic robots: First, are mostly redundant degree of freedom or the super-redundant degree of freedom robot, institutional complex; two of its drivers is somewhat different from the conventional joint-type robot, usually a rope, artificial muscles, or shape memory alloy driver. Bio-robot to imitate the biological, engaged in the work suitable for biological characteristics. They take full advantage of some features of organisms to complete some of the features.

3 Development Of Biomimetic Robots

In the long process of evolution, earth colored creatures, are designed to strive for survival and develop a unique ability to adapt to the environment; in research and development process of the robot, if the unique biological reference of more than ability, then for the

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仿 生 机 器 人

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。本文对仿生机器人进行了一般性的介绍，对仿生机器人的发展现状进行了综述，对仿生机器人的技术组成进行了说明，介绍了一种仿生机器人——蛇形机器人的一些情况，并对仿生机器人的未来进行了展望。

关键词：仿生机器人、发展现状、技术组成、蛇形机器人、展望

引言

缘起近年来机器人技术的迅速发展，许多实验室的机器人研发成果逐步落实到产业与生活需求面。我国由于资通讯产业与精密机械背景的实力雄厚，在机器人领域的研究发展与产业应用上，具有足够的发展潜力与能量，因此在政府与产业界的重视下，有明显的进展，产业的应用也逐渐成形。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. 机器人介绍

机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。

它可以说是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。

1. 仿生机器人

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。

仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。它能够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 ,并能从事生物特点工作。比如说，蛇形机器人、仿昆虫机器人、仿鱼机器人、仿生人等。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 ,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。仿生机器人模仿着生物、从事着一些适合生物特点工作。它们充分利用生物的某些特性，来完成一些功能。

1. 仿生机器人的发展现状

在漫长的演化过程中，地球上的各色生物，均为了求取生存而发展出适应环境的独特能力；在研究发展机器人的过程中，若对生物的独到本领多所借鉴，则能为人类带来更强大的功能与更佳的便利性。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。因此，仿生机器人应是机器人研究领域未来发展的重要方向之一。仿生机器人以模仿对象粗分，大略可分为人形机器人、昆虫机器人、动物机器人等。人形机器人是许多工程师心目中的机器人理想型态；现行使用的工具器械，皆是以人类为操作者加以设计，因此人形机器人可较无窒碍地接手人类的工作。昆虫机器人因体积小，控制方向较为灵活；以蜜蜂机器人为例，其能比体积较大的鸟类更快地完成飞行方向的改变。动物机器人尚可细分，如仿陆生哺乳类动物的四足机器人、六足机器人、蛇形机器人，以及机器鱼等。

人们向着大自然学习，在仔细研究了各种生物系统的结构、运动方式和控制方式之后，就设计出了各种仿生机器人。不过在制造仿生机器人的过程中，人类并没有完全抄袭大自然，而是抓住生物系统的一些基本行为特征，保持生物系统和人造系统在基本原理上的一致，使用可以得到的材料和可行的技术创造出了这一机器人群体。虽然比起大自然的造化，人类创造出的种种机器既笨拙又不经济，甚至相当可笑，但随着人类认识世界和改造世界的能力逐步提高，可以乱真的仿生机器人走进人类的生活并不是一个遥远的梦想。

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P2和 P9仿人步行机器人代表了当今世界的最高水平。P2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。

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仿生机器人技术研究。

1. 仿生机器人的技术组成

4.1 仿生机器人的体系结构

机器人体系结构，就是指为完成指定目标的一个或几个机器人在信息处理和控制逻辑方面的结构方式。它是机器人技术的思想体现。它有三种主要的体系结构，分别是基于功能分解的体系结构、基于行为分解的体系结构和基于智能分布的体系结构。在仿生机器人体系结构的思想原理中，从本质上来讲，慎思式智能、反应式智能以及分布式智能，都是对生物控制逻辑和推理方式的一种借鉴和仿生，但由于客观条件的限制和需求目的的局限，它们都只是从某一个角度和方向对生物智能的一种片面的、局部的模仿。本文的仿生式体系结构就是以前述的生物控制逻辑和行为推理为基础，充分借鉴基于慎思式智能、反应式智能和分布式智能等三种体系结构思想的优点与不足之处，针对目前机器人特别是未知环境下工作的移动机器人在控制体系结构方面所存在的缺点和问题，提出一种具有适应行为与进化能力的新的控制思想与理念。借鉴分布式智能的思想，在控制体系结构中引人社会式行为控制层；借鉴生物的自适应性思想，在控制体系结构中实现本代内的由慎思式行为层到反射式行为层的学习；借鉴生物的自进化性思想，在控制体系结构中实现多代间的由反射式行为层向本能式行为层的进化(或退化)。 所以，仿生式体系结构共有四个行为控制层组成，即本能式行为控制层、反射式行为控制层、慎思式行为控制层和社会式行为控制层，它们并行接收来自感知层的外部和内部信息，各自作出逻辑判断和反应，发出控制信息到末端执行层，通过竞争和协调来调节自身并适应外部环境，从而按照目标完成工作任务。

4.2 仿生学技术

仿生机器人的诞生，都该感谢科技的进步，20世纪科技的发展突飞猛进，人类征服自然的宏愿似乎指日可待，然而在尖端技术不断推陈出新，对各种现象日趋明了之际，蓦然惊觉原来这些技术在自然界早已运用有年了。让人类不得不承认自己的渺小，回过头来还是必须效法自然，并且从自然中学习、模仿或是取得启示，进而用于人类科技文明的发展，这就是仿生学。

仿生学是一门新兴的科学，是生物学、数学和工程技术学边缘上的一门崭新学科。它首先是生物原型研究，即根据生活实践提出的技术问题，去研究生物系统某一方面的结构和功能特性。然后，将研究所得的生物资料进行数学分析，抽象出它们之间的内在联系，建立数学模型，从中取得工程技术所需的资料，用于工程技术。仿生机器人仿生学研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”，作为其主要成果的机器人发展迅速。其中微小型机器人技术是近年来伴随微机械学、微电子学、信息网络、计算机技术、仿生技术、新材料和新能源等迅猛发展而形成的新兴前沿高技术研究方向。近十年来，世界各国特别是西方发达国家十分重视微小型机器人技术研究，它在未来家庭服务、极限作业、危险救灾等方面将发挥不可替代的作用。世界先进国家在水下仿生航行体、模块化履带式侦察机器人、反恐排爆机器人、微型飞行器与自主导航驾驶仪等方面具有创新性研究特色，正在开展相关应用示范研究，也取得丰硕成果。诸如仿生蝙蝠、仿生苍蝇、仿生蜻蜓、仿生蜘蛛等机器动物的问世，便是仿生学研究的成果。

4.3 仿生机器人执行机构技术

执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。

仿生机器人执行机构是参照生物的骨骼、关节等方面来形成的。它是通过研究生物肌体的构造，建造类生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似，实现功能相近。例如，海豚、海龟等动物，身体具有柔性，能够通过骨架及充气的肺部的变形，使身体形状、截面发生变化，改变水流对身体作用力的方向；它们的皮肤为层状分布，身体中段弹性小，尾部弹性大；皮肤表层的特殊物质，使皮肤与水的边界发生层化，减小了水的阻力。Babenko V.V.等模仿海洋动物特殊的结构和 表面层特性，制造了多功能水下无人机器人，这个机器人具有类似海龟的外形，表面覆有层状弹性层，使其在水下的运动能较好的符合流体动力学特性。

4.4 仿生机器人驱动技术

机器人驱动技术就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的技术。它主要可分为电动执行技术、液压执行技术和气动执行技术。在机器人中，电动执行技术应用得最为广泛。

仿生机器人根据生物的运动特点和方式，通过其控制系统发出的信号来驱动电动机在哪些时间段起动或者在哪些时间段停止，来模仿着生物的运动，达到非常逼真的效果。

4.5 仿生机器人控制技术

控制系统一般有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。

仿生机器人根据自身的特点，有自己独特的控制方法。例如，仿生机器人的神经网络方法。仿生机器人的传统控制是通过推导数学模型，然后用经典或代的控制方法实现的。这种方法理论上虽然很精确．但它需要大量繁杂的严格的数学公式推导，没有容错能力和自学习能力，对参数变化敏感，环境和结构稍作改变就必须重新建立数学模型．因而适应性差。神经网络方法具有模糊性、容错性、自适应性和自学习的特点，比以往依靠推导数学型、参数寻优等非常精确而又因此带来局限性的传统控制方法具有极大的优越性。神经网络控制器不需要仿生机器人的结构模型和参数，而是通过学习，逐步适应不同条件的。

4.6 仿生机器人感知技术

机器人感知技术用于实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。

仿生机器人的感知系统是生物的感知情况而研发的。Johns Hopkins大学以灵长类视觉辩识系统为模型，模仿视网膜及大脑视觉功能区，研制出能实现视网膜三层细胞中第一层细胞能力的视觉功能芯片。装有这种芯片的机器人可应用到看护、外科手术、制造业以及电视会议方面。昆虫的视觉与脊椎动物相比是比较 低级的，眼体不够灵活，焦距一般也固定。但在漫长的进化过程中，它们却具有了敏锐发现物体的能力。M.V.Srinivasan等对蚱蜢的凝视机理、蜜蜂飞过管道的导航行为、采蜜时的定心能力进行研究，分别得出了物体范围确定方法、狭长通道导航技术和障碍密集环境中的路径规划算法。H.Peremans等根据动物的听觉，模仿蝙蝠制造的超声波仿生声纳头,可实现物体的三维定位。M.Rucci等利用一个装有麦克风和摄像头的机器人来模仿仓号鸟敏锐的视听系统，用于研究机器人视觉与听觉的协调。

1. 蛇形机器人

蛇形机器人是一种具有蛇类外观体态、能蜿蜒运动的机器人。它是一种新型的仿生物机器人，与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个突破。它具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点。在许多领域具有广泛的应用前景，如在有辐射、有粉尘、

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