哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.2仿生机器人的研究概述 仿生学出现在20世纪60年代，是以生物为研究对象，研究生物系统的 结构性质、能量转换和信息过程，并将所获得的知识用来改善现有的和创造 崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程的科学，是生物科学与工程技术相 结合的一门综合的边缘学科7]。 仿生学应用于机器人学主要体现在结构仿生、材料仿生、功能仿生、控 制仿生及群体仿生五个方面，拓宽了机器人的发展空间。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 等国也都在开展这方而的技术研究。截至到目前，仿生机器人的研究主要有 以下一些方向：无肢生物爬行仿生、双足生物行走仿生、四足等多足生物行 走仿生、跳跃运动仿生、地下生物运动仿生、水中生物运动仿生、空中生物 运动仿生、执行运动仿生5，刀。无论是上述哪个方向的仿生机器人研究，都 要面临相同的研究问题，即4，)： ()建模问题仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都 是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型与常规机器人 有很大差别，且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是 研究仿生机器人的关键问题之一。 (2)信息融合问题在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同的物体和 未知的环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术是 实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或 不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信 息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和 正确性。 (3)控制优化问题1]机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制 系统的复杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大 于组分之和”，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能 力。 (④)机构设计问题合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形 态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生 物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物机体和运动特性的基础上提取其 精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单机构组成高灵活的机器人机哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1.2 仿生机器人的研究概述 仿生学出现在 20 世纪 60 年代，是以生物为研究对象，研究生物系统的 结构性质、能量转换和信息过程，并将所获得的知识用来改善现有的和创造 崭新的机械、仪器、建筑结构和工艺过程的科学，是生物科学与工程技术相 结合的一门综合的边缘学科[7~9]。 仿生学应用于机器人学主要体现在结构仿生、材料仿生、功能仿生、控 制仿生及群体仿生五个方面，拓宽了机器人的发展空间[6]。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 等国也都在开展这方而的技术研究。截至到目前，仿生机器人的研究主要有 以下一些方向：无肢生物爬行仿生、双足生物行走仿生、四足等多足生物行 走仿生、跳跃运动仿生、地下生物运动仿生、水中生物运动仿生、空中生物 运动仿生、执行运动仿生[5，7]。无论是上述哪个方向的仿生机器人研究，都 要面临相同的研究问题，即[4，5]： (1) 建模问题 仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都 是冗余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型与常规机器人 有很大差别，且复杂程度更大。为此，研究建模问题，实现机构的可控化是 研究仿生机器人的关键问题之一。 (2) 信息融合问题 在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同的物体和 未知的环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术是 实现其具有一定智能的关键。信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或 不同类的传感器所提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信 息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和 正确性。 (3) 控制优化问题[10] 机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制 系统的复杂化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大 于组分之和”，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能 力。 (4) 机构设计问题 合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形 态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生 物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物机体和运动特性的基础上提取其 精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单机构组成高灵活的机器人机