文档介绍：生物机器人的研究现状及其发展方向
(天津理工大学机械工程学院,天津)
摘要:随着机器人技术的发展,生物机器人的研究正受到学者们的普遍关注。本文主要对对国内外生物机器人的研制工作做了综述,并介绍其应用前景及对其未来发展进行了展望。
关键词:生物机器人;运动诱导;神经控制;研究现状;发展方向
Abstract: With the development of robotics, researchers are paying more and more attention to the research on bio-robots. With the discussion of the current status at home and abroad, this paper describes the application prospects and forecasts the future of bio-robots.
Key words: bio-robots; otion modulation; neuro-control; current status; prospect
0前言
在35亿年的进化过程中,动物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式,这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。自从仿生机器人诞生以来,对工业生产、民用事业和国防科技等各方面都产生了深远的影响。随着仿生技术、控制技术和制造技术进一步发展,现代仿生学和机器人科学相结合,在机器人的结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群体仿生等多个方面取得了大量可喜成果和积极进展。伴随着人类医疗诊断、探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加,人们对机器人的性能也提出了更高的要求。生物机器人在能源供给、运动灵活性、隐蔽性、机动性和适应性方面较机器人(或仿生机器人)具有更明显的优势,可广泛应用在海洋开发、探索太空、反恐侦查、危险环境搜救以及狭小空间检测等各方面。近年来对生物运动规律和动物机器人的研究受到更多的重视。20世纪90年代开始,各国科研人员展开了利用生物控制技术研制动物机器人的研究。例如,日本政府早在1995年就投入500万美元,资助日本东京大学的Isao Shimoyama教授研究蟑螂的生物控制技术;美国DARPA (国防部高级研究计划局)也投资2400万美元,资助美国国内6大实验室以老鼠、猿猴为研究对象,进行有控制的生物系统计划。
1生物机器人的基本概念
生物机器人是指利用动物体的运动机能、动力供应体制,从动物运动的感受传入或神经支配入手,实现对动物的运动和某些行为的人为控制,从而利用动物特长代替人类完成人所不能和人所不敢的特殊任务。而仿生机器人只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。
利用生物控制技术研制生物机器人始于上世纪 90年代,和工程控制系统相比,动物运动的神经调控系统要复杂得多。作为一个分层次的多级控制系统,其调控网络存在不同水平的控制中心。运动系统从低级到高级分别由脊髓、脑干的下行系统和大脑皮层的运动区这三个水平的神经结构组成。三个水平串行和平行并举,直接和间接共存,形成一个相互联结的复杂的功能性网络(图1)。
图1运动系统层次结构与相互关系
2 国内外生物机器人的研究概况
生物机器人的研制虽然只有 10多年的历史,然而其研究工作进展迅速,特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在世界前列。目前,国内外许多学者正从事该领域研究工作,生物机器人已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。
动物运动过程中除接受肌梭、腱器官等运动觉传入进行反馈性调节,还需要综合其它包括视觉、听觉和触觉等感受器的传入信息来进行调控。常见的蟑螂和苍蝇头部的触须、老鼠和猫嘴角两侧的胡须都是它们重要的触觉感受器,决定着这些动物的运动方向。日本东京大学Isao Shimoyama教授领导的研究团队在
1997年研制出蟑螂机器人,实现了蟑螂直线前进的人工控制(图2)。首先利用轨迹球—计算机装置(图2a),获得了电刺激蟑螂触角传入神经进行运动诱导的合适刺激参数;然后,实验人员去除蟑螂翅膀和头上的触须,在触角(触觉感受器)处植入金属微电极,通过遥控刺激器并结合光学传感器的反馈,进行运动诱导,初步实现了控制蟑螂沿直线前进。此后,研究人员又进一步减轻遥控刺激器(图2c)的重量,基本可以实现蟑螂的左右转,前移或者后退等运动的人工控制。
a)电刺激嶂螂诱导运动的分析装置b)实时控制蟑螂沿直线前进c)背