仿生机器人的应用
摘要：仿生机器人是依据仿生学原理，模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统，已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。未来，机器人可以在人类难以到达的环境下为人类工作。人们要求机器人不仅适应结构化的、已知的环境，更要适应非结构化的、未知的环境。本文主要针对仿生机器人国内外研究现状总结仿生机器人的发展趋势。
关键词: 四足机器人 仿生 研究现状 发展趋势
1 引言
仿生机器人是研究人员从自然界的生物体中受到一些启发，通过仿生技术模仿这些生物的外部结构或者功能，制备出兼具生物结构和功能特性的机器人系统。能在未知的非结构化环境中精确、灵活、可靠且高效地完成各种复杂任务。四足仿生这一类型的机器人运动灵活、环境适应能力强，同时也具有一定的平衡能力，在救灾救险、地质勘测及军事运输方面可以代替人们完成许多危险的任务，因此受到各国研究人员的普遍重视。毋庸置疑，仿生机器人未来必将在国计民生中发挥不可替代的作用。
2 国外四足机器人研究现状
仿生四足机器人的研究工作从20世纪60年代开始后，其诸多优点就被许多理论和应用研究者所关注，国外涌现出大量的样机。2000 年以后，现代四足步行仿生机器人的研制工作进入了快速发展的阶段。最具代表性的为波士顿动力学工程公司( Boston Dynamics) ，其四足机器人发展过程迅速，基本上每 1-3年就会发布一款新的产品样机，而每一次推出都会引起不小的震动反应[1]。
美国波士顿动力公司2008年仿大狗研制的“Big Dog”机器人是多足运动机器人的代表，具有环境感知和良好的适应能力，平衡性良好，使侧面被物体冲击，也能很快地通过调整步态恢复平衡状态。可以爬山坡、过雪地、走石子路，上下楼梯，在光滑的冰上行走，甚至能跳跃跨过单杠[2]。LS3进一步改进了身体结构设计, 实现了更大的负载能力,对野外复杂地形的通过能力和适应性有了进一步提高。在快速性方面, Cheetah的室内奔跑速度达到了45.5km/h,而Wild Cat在运动时可以实现小跑、跳跃和奔跑间的相互切换, 是目前唯一可以在室外完成gallop奔跑的四足机器人[3]。
由于上述机器人的液压伺服系统需要发动机提供动力,存在自身质量重和噪声大等问题, 为此, 波士顿动力公司研发了Spot和Spot Mini。Spot总重量约72千克, 采用电液混合驱动, 降低了运动噪音,可实现静态行走、对角小跑等步态,通过搭载的感知单元, 可以在野外环境下稳定行走、上斜坡、上台阶, 在受到侧向推力时可以自主恢复平衡[4]-[5]。Spot Mini重量更轻且完全采用电机驱动,极大地降低了运动噪声，运动更为灵活,在Spot Mini上还可以搭载机械臂,完成物品抓取、递送、开门等复杂动作[6]。除此之外,在2012年MIT研制了全电机驱动的四足机器人Cheetah,该机器人通过力矩电机的反驱作用,实现对地面碰撞能量的回收, 具有极高的能量利用率。采用虚拟力模型,通过地面反作用力控制,实现了trot和bound步态运动,以及gallop步态的仿真控制[7]。
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