作者：王穎 王碩
借鑒數(shù)學、力學、電子學、計算機和控制科學等多學科工作，機器人功能和性能得到極大提升，但學者們也切實感到機器人和自然生物之間在系統(tǒng)自主性、環(huán)境適應性等諸多方面還存在著巨大差距。因此，通過仿生機器人的研究，研究者希望機器人能夠復現(xiàn)生物的某種自然功能和效果，或完全復現(xiàn)其自然功能、效果和內在運行機制，從而大幅提高機器人的環(huán)境適應能力、感知能力、自主控制與智能決策能力、交互能力，乃至協(xié)作能力。
仿生機器人研究涉及機構仿生、感知仿生、控制仿生、智能仿生等關鍵技術?；谶@些關鍵技術可形成多種類型的仿生機器人系統(tǒng)，如仿生機器人、仿動物機器人、靈巧手、仿生眼等。下面重點介紹仿人機器人、仿生四足機器人、仿生機器魚等仿生機器人系統(tǒng)。
仿人機器人
仿人機器人是模仿人類形態(tài)、運動、感知和交互功能的機器人系統(tǒng)。通過研發(fā)工作，最終希望仿生機器人可在環(huán)境中自由運動并能夠使用各類工具，在危險環(huán)境下代替人進行工作，或在日常生活中為人提供服務。
波士頓動力公司開發(fā)的液壓驅動雙足步行機器人Atlas等，其行走過程具有良好的柔性和環(huán)境適應性，可完成上下臺階、俯臥撐、跨越障礙、跳躍、在室外行走等。本田公司研制的仿人機器人ASIMO，可完成行走、上下臺階、彎腰、小跑、端水等動作，還能夠與人進行對話，手勢交流，視覺識別出人和物體、辨別說話人等。NASA開發(fā)了具有靈巧手指的雙臂機器人宇航員并將用于空間站。Aldebaran機器人公司開發(fā)仿人機器人Nao,集成了視覺、聽覺、壓力、紅外、接觸等多種傳感器，通過編程可實現(xiàn)舞蹈、與人交互等功能，可用于很多研究和娛樂展示。該公司還開放了pepper仿人機器人。日本大阪大學石黑浩教授開發(fā)了外形與人高度相似的高仿真人形機器人，并能夠進行人機對話。
在我國，國防科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學都研制開發(fā)了雙足步行機器人。北京理工大學研制的仿人機器人，能夠實現(xiàn)太極拳表演、刀術表演、騰空行走等復雜運動，同時也開發(fā)了高仿真人形機器人。在仿人機器人乒乓球對打、人機器人乒乓球對打研究中，北京理工大學、中國科學院自動化研究所、浙江大學等單位開發(fā)了乒乓球的高速識別與軌跡預測、擊球策略與控制等關鍵技術，實現(xiàn)了多回合乒乓球對打。
仿生四足機器人
自然界中的哺乳動物、昆蟲、兩棲動物等都是依靠腿足在復雜環(huán)境中自由行動的，因此，研究仿生四足機器人或多足機器人將具有較為理想的復雜環(huán)境通過能力，適合在野外、災害現(xiàn)場等特殊環(huán)境下進行運輸、救援作業(yè)。
波士頓動力公司研制的BigDog、Alphadog、LS3等系列液壓驅動四足仿生機器人，機器人具有負載能力高、環(huán)境適應性好、行走速度快、續(xù)航能力強等特點，但由于采用燃油發(fā)動機，噪聲問題較為突出。該公司還研制了Cheetah、Wildcat等四足機器人，可實現(xiàn)高速奔跑。麻省理工大學仿生機器人實驗室開發(fā)的基于電機驅動的四足機器人可在高速運動中識別障礙并起跳越過障礙。
山東大學研制了液壓驅動四足機器人實驗樣機，實現(xiàn)了動步態(tài)行走、擾動下的自平衡等。
此外，韓國工業(yè)技術研究院開發(fā)的液壓馬達驅動四足機器人、意大利技術研究院開發(fā)的HyQ，以及國防科技大學、北京理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等單位都在四足仿生機器人方面開展了大量工作。
仿魚機器人
由于魚類具有高效率、高機動、高加速度、低噪聲、水下適應性良好等特點，因此，研究仿生機器魚可以極大提升水下機器人的效率、性能和復雜環(huán)境適應能力，代替人類完成長期水下監(jiān)控和作業(yè)。
麻省理工學院最早研制了基于尾鰭推進的仿金槍魚的機器人和仿狗魚的機器人，大阪大學針對胸鰭推進研制了仿生黑鱸機器人，英國Heriot-Watt大學則最早探討了波動鰭機構。英國Essex大學設計的仿生機器魚G9在倫敦水族館進行了展示。美國西北大學研發(fā)了仿生裸背鰻機器人，并開展了基于電場檢測的環(huán)境障礙識別與避障研究。南洋理工大學、大阪大學都開發(fā)了一系列基于波動鰭推進的仿生機器魚。
北京航空航天大學研制了SPC系列仿魚機器人，并開展了湖試和海試工作，該型機器人在水下考古、環(huán)境監(jiān)控中進行了應用示范。中國科學院自動化研究所研制了仿鯉魚機器人、仿狗魚機器人、仿海豚機器人、仿鰩魚機器人等多種水下機器人系統(tǒng)，在浮潛控制、倒游控制、定深控制、自主避障、快速啟動控制、水平面和垂直面快速轉向控制、多魚協(xié)調控制等方面開展了大量的研究和實驗驗證工作，實現(xiàn)了仿生機器海豚的躍水運動，仿生水下機器人-作業(yè)臂系統(tǒng)RobCutt-I的水下目標自動抓取等。國防科技大學研制了波動鰭推進機器魚。華盛頓大學、佛羅里達中心大學、日本名古屋大學、美國新墨西哥大學、哈爾濱工程大學、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學技術大學、北京大學等單位都在仿魚機器人方面開展了研究工作。
其他仿生機器人
針對不同應用需求，國內外學者開發(fā)了各種不同類型的仿生機器人。
仿蛇型機器人可在草地、沙地、平底、縫隙等環(huán)境下運動，東京工學院的ACM R5、密西根大學的OmniTread、挪威理工大學的Kulko、卡內基梅隆大學的Uncle Sam、以及國防科技大學、中國科學院沈陽自動化研究所、上海交通大學、北京航空航天大學等研制的蛇形仿生機器人均實現(xiàn)了多種仿蛇運動，部分機器人在附加防水蒙皮后還可以實現(xiàn)水中游動，卡內基梅隆大學的Uncle Sam還實現(xiàn)了爬樹運動。
仿生兩棲機器人適合在水陸兩種環(huán)境下運動，瑞士洛桑理工學院（EPFL）的Salamandra、紐約瓦薩學院的Madeline、加拿大約克大學的AQUA、美國東北大學的仿生機器龍蝦、哈爾濱工程大學的仿生機器螃蟹、中國科學院自動化研究所、中國科學院沈陽自動化研究所、北京航空航天大學等單位的水陸兩棲機器人等，均能夠分別實現(xiàn)水中和陸地運動，但由于不同地面的物理特性，導致機器人安全快速地由陸入水和由水登陸的性能還有待提高。
仿生飛行機器人主要考慮模仿鳥類和昆蟲飛行的高效率、高機動性等性能，如德國Festo公司的Smartbird、多倫多大學的Mentor、加州大學伯克利分校的飛行昆蟲、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、北京航空航天大學等單位的撲翼飛行機器人。
此外，還有哈佛大學的仿海星軟體機器人、斯坦福大學仿壁虎腳部結構并可攀爬墻壁的仿生機器壁虎、南加州大學研制的自重構機器人、名古屋大學的仿生長臂猿機器人等特色鮮明的仿生機器人系統(tǒng)。
仿生機器人的應用
盡管絕大部分仿生機器人還處于研發(fā)階段，但其應用前景廣闊，部分仿生機器人系統(tǒng)已獲得應用。
仿人機器人如Nao、Pepper，四足機器人如索尼機器狗Aibo等已進入教育、娛樂、陪伴、導游導覽等領域，如通過人臉識別識別不同說話人、人機對話為人提供必要的信息服務和產品介紹、利用機器人進行科學研究、通過舞蹈表演、機器人比賽用于展示和教育。中國科學院自動化研究所研發(fā)團隊開發(fā)的仿生機器魚系統(tǒng)在大學和科研機構用于仿魚運動機理、控制與協(xié)作的研究，在國內多個科技館用于科普教育。同時，該研發(fā)團隊通過中國科學院自動化研究所（洛陽）機器人與智能裝備創(chuàng)新研究院進行了小型教育娛樂仿生機器魚的產業(yè)化，用戶可以通過手機遙控機器魚實現(xiàn)靈活的水上運動。
（王穎 北方重工集團有限公司隧道掘進裝備分公司，王碩 中國科學院自動化研究所）
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