仿生機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展

1、仿生機(jī)器人的應(yīng)用及發(fā)展仿生機(jī)器人發(fā)展概述首先，模仿某些昆蟲而制造出來的機(jī)器人并非簡(jiǎn)單。比如，國(guó)外有的科學(xué)家觀察發(fā)現(xiàn)， HYPERLINK /view/3312.htm t _blank 螞蟻的大腦很小，視力極差，但它的導(dǎo)航能力高超：當(dāng)螞蟻發(fā)現(xiàn)食物源后回去召喚同伴時(shí)，是把這一食物的映像始終存儲(chǔ)在它的大腦里，并利用大腦里的映像與眼前真實(shí)的景像相匹配的方法，循原路返回?？茖W(xué)家認(rèn)為，模仿螞蟻這一功能，可使機(jī)器人在陌生的環(huán)境中具有高超的探路能力。其次，不論何時(shí)，對(duì)仿生機(jī)械（器）的研究，都是多方面的，也就是既要發(fā)展模仿人的 HYPERLINK /view/2788.htm t _blank 機(jī)器人，又要發(fā)

2、展模仿其他生物的機(jī)械（器）。機(jī)器人未問世之前，人們除研究制造 HYPERLINK /view/3268522.htm t _blank 自動(dòng)偶人外，對(duì)機(jī)械動(dòng)物非常感興趣，如傳說 HYPERLINK /view/2347.htm t _blank 諸葛亮制造木牛流馬，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)先驅(qū)巴貝吉設(shè)計(jì)的雞與羊玩具， HYPERLINK /view/64741.htm t _blank 法國(guó)著名 HYPERLINK /view/25007.htm t _blank 工程師鮑堪松制造的鳧水的鐵鴨子等，都非常有名。在機(jī)器人向智能機(jī)器人發(fā)展的時(shí)程中，就有人提出“反對(duì)機(jī)器人必須先會(huì)思考才能做事”的觀點(diǎn)，并認(rèn)為，用許

3、多簡(jiǎn)單的機(jī)器人也可以完成復(fù)雜的任務(wù)。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)麻省理工學(xué)院的教授 HYPERLINK /view/382673.htm t _blank 布魯克斯在學(xué)生的幫助下，制造出一批蚊型機(jī)器人，取名昆蟲機(jī)器人，這些小東西的習(xí)慣和蟑螂十分相近。它們不會(huì)思考，只能按照人編制的程序動(dòng)作。幾年前，科技工作者為圣地亞哥市動(dòng)物園制造電子機(jī)器鳥，它能模仿母 HYPERLINK /view/1161477.htm t _blank 兀鷹，準(zhǔn)時(shí)給小兀鷹喂食； HYPERLINK /view/1554.htm t _blank 日本和俄羅斯制造了一種電子機(jī)器蟹，能進(jìn)行深海控測(cè)，采集巖樣，捕捉海底生物，進(jìn)行海下

4、電焊等作業(yè)。 HYPERLINK /view/2398.htm t _blank 美國(guó)研制出一條名叫 HYPERLINK /view/303696.htm t _blank 查理的機(jī)器金槍魚，長(zhǎng)1.32米，由2843個(gè)零件組成。通過擺動(dòng)軀體和尾巴，能像真的魚一樣游動(dòng)，速度為7.2千米/小時(shí)。可以利用它在海下連續(xù)工作數(shù)個(gè)月，由它測(cè)繪海洋地圖和檢測(cè)水下污染，也可以用它來拍攝生物，因?yàn)樗７陆饦岕~惟妙惟肖。有的科學(xué)家正在設(shè)計(jì) HYPERLINK /view/11147.htm t _blank 金槍魚潛艇，其實(shí)就是金槍魚機(jī)器人，行駛速度可達(dá)20節(jié)，是名副其實(shí)的水下游動(dòng)機(jī)器。它的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的潛

5、艇，幾乎可以達(dá)到水下任何區(qū)域，由人遙控，它可輕而易舉地進(jìn)入海底深處的 HYPERLINK /view/59024.htm t _blank 海溝和洞穴，悄悄地溜進(jìn)敵方的港口，進(jìn)行偵察而不被發(fā)覺。作為軍用偵察和科學(xué)探索工具，其發(fā)展和應(yīng)用的前景十分廣闊。同樣，研究制造昆蟲機(jī)器人，其前景也是非常美好的。例如，有人研制一種有彈性腿的機(jī)器昆蟲，大小只有一張信用卡的1/3左右，可以像蟋蟀一樣輕松地跳過障礙，一小時(shí)幾乎可前進(jìn)37米。這種機(jī)器昆蟲最特殊的地方是突破了“牽動(dòng)關(guān)節(jié)必須加發(fā)動(dòng)機(jī)”的觀念。發(fā)明家用的新方法是：由 HYPERLINK /view/34566.htm t _blank 鉛、 HYPERLI

6、NK /view/38860.htm t _blank 鋯、 HYPERLINK /view/26412.htm t _blank 鈦等金屬條構(gòu)成一個(gè)雙壓電晶片調(diào)節(jié)器。當(dāng)充電時(shí)，調(diào)節(jié)器彎曲，充完電了它又彈回原狀，反復(fù)充電，它就成了振動(dòng)條。在振動(dòng)條上裝有昆蟲肢體，振動(dòng)條振動(dòng)就成了機(jī)器昆蟲的動(dòng)力，每次振動(dòng)都會(huì)使這種爬行昆蟲前進(jìn)2毫米。通過一只“蟲王”就可以控制一大群機(jī)器昆蟲，由它以接力形式把控制指令傳送給每個(gè)機(jī)器 HYPERLINK /view/2694.htm t _blank 昆蟲。應(yīng)用這種機(jī)器昆蟲可以在戰(zhàn)場(chǎng)上完成偵察、運(yùn)送物品，或在其他星球進(jìn)行探路。仿生機(jī)器人原理及應(yīng)用介紹原理基于功能來分解

7、基于功能分解的體系結(jié)構(gòu)在 HYPERLINK /view/2949.htm t _blank 人工智能上屬于傳統(tǒng)的慎思式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為串行分布，在執(zhí)行方式上屬于異步執(zhí)行，即按照“感知一規(guī)劃一行動(dòng)”的模式進(jìn)行信息處理和控制實(shí)現(xiàn)。以美國(guó)國(guó)家航天局和 HYPERLINK /view/185283.htm t _blank 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局所提出的NASR人MtI為典型代表。這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的功能明了.層次清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。但是申行的處理方式大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)時(shí)間，環(huán)境的改變導(dǎo)致必須重新規(guī)劃，從而降低了執(zhí)行效率。因此只適合在已知的結(jié)構(gòu)化環(huán)境下完成比較復(fù)雜的工作?；谛袨閬矸纸饣?/p>

8、行為分解的體系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于現(xiàn)代的反應(yīng)式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為并行(包容)分布，在執(zhí)行方式上屬于同步執(zhí)行，即按照“感知一行動(dòng)”的模式并行進(jìn)行 HYPERLINK /view/1527.htm t _blank 信息處理和控制。以麻省理工的R.A.Brooks所提出的行為分層的包容式體系結(jié)構(gòu)(SubsumptionArchitecture) 和Arkin提出的基于MotorSc hema的結(jié)構(gòu)為典型代表。其主要優(yōu)點(diǎn)就是執(zhí)行時(shí)間短、效率高、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)。但是由于缺乏整體的管理，很難適應(yīng)于各種情況。因此只適用于在沐淘環(huán)境下執(zhí)行比較簡(jiǎn)單的任務(wù)?；谥悄芊植紒矸纸饣谥悄芊植嫉捏w系結(jié)構(gòu)在人工智能上屬于

9、最新的分布式智能，在結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為分散分布，在執(zhí)行上屬于協(xié)同執(zhí)行，既可以單獨(dú)完成各自的局部問題求解，又能通過協(xié)作求解單個(gè)或多個(gè)全局問題。以基于多智能體的體系結(jié)構(gòu)為典型代表。這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是既具有“智能分布”的特點(diǎn)，又有統(tǒng)一的協(xié)調(diào)機(jī)制。但是如何在各個(gè)智能體之間合理的劃分和協(xié)調(diào)仍然需要大量的研究和實(shí)踐。該體系結(jié)構(gòu)在許多大型的智能 HYPERLINK /view/554815.htm t _blank 信息處理系統(tǒng)上有著廣泛的應(yīng)用。除以上三類主要的體系結(jié)構(gòu)之外，還有一些改進(jìn)的混合式體系結(jié)構(gòu)，如帶反饋環(huán)節(jié)的行為分解模式、基于分布式智能的 HYPERLINK /view/1490064.htm t _

10、blank 分層體系結(jié)構(gòu)、基于功能分解的多智能體結(jié)構(gòu)等等。但是從整體上來看，它們或是在功能模塊的靈活性和擴(kuò)展性上不足，或是沒能很好的協(xié)調(diào)慎思式智能與反應(yīng)式智能，或是各層次間的交流機(jī)制不夠完善?？刂企w系仿生式體系結(jié)構(gòu)的思想原理從本質(zhì)上來講，慎思式智能、反應(yīng)式智能以及分布式智能，都是對(duì)生物控制邏輯和推理方式的一種借鑒和仿生，但由于客觀條件的限制和需求目的的局限，它們都只是從某一個(gè)角度和方向?qū)ι镏悄艿囊环N片面的、局部的模仿。本文的仿生式體系結(jié)構(gòu)就是以前述的 HYPERLINK /view/4579.htm t _blank 生物控制邏輯和行為推理為基礎(chǔ)，充分借鑒基于慎思式智能、反應(yīng)式智能和分布式智

11、能等三種體系結(jié)構(gòu)思想的優(yōu)點(diǎn)與不足之處，針對(duì)機(jī)器人特別是未知環(huán)境下工作的移動(dòng)機(jī)器人在控制體系結(jié)構(gòu)方面所存在的缺點(diǎn)和問題，提出一種具有適應(yīng)行為與進(jìn)化能力的新的控制思想與理念。借鑒分布式智能的思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中引人社會(huì)式行為控制層；借鑒生物的自適應(yīng)性思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)本代內(nèi)的由慎思式行為層到反射式行為層的學(xué)習(xí)；借鑒生物的自進(jìn)化性思想，在控制體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多代間的由反射式行為層向本能式行為層的進(jìn)化(或退化)。所以，仿生式體系結(jié)構(gòu)共有四個(gè)行為控制層組成，即本能式行為控制層、反射式行為控制層、慎思式行為控制層和社會(huì)式行為控制層，它們并行接收來自感知層的外部和內(nèi)部信息，各自作出邏輯判斷和反應(yīng)，發(fā)

12、出控制信息到末端執(zhí)行層，通過競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)調(diào)來調(diào)節(jié)自身并適應(yīng)外部環(huán)境，從而按照目標(biāo)完成工作任務(wù)。應(yīng)用 HYPERLINK /sowiki/%E6%9C%BA%E5%99%A8%E8%9D%8E%E5%AD%90?prd=content_doc_search o 機(jī)器蝎子 機(jī)器蝎子：長(zhǎng)約50厘米的機(jī)器 HYPERLINK /sowiki/%E8%9D%8E%E5%AD%90?prd=content_doc_search o 蝎子 蝎子與其他傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，它沒有解決復(fù)雜問題的能力。機(jī)器蝎子幾乎完全依靠反射作用來解決行走問題。這就使得它能夠迅速對(duì)困擾它的任何事物做出反應(yīng)，它的頭部有兩個(gè)超聲波傳感器。如

13、果碰到高出它身高50%的障礙物，它就會(huì)繞開。而且，如果左邊的傳感器探測(cè)到障礙物，它就會(huì)自動(dòng)向右轉(zhuǎn)。機(jī)械蟑螂：不只是蝎子，就連 HYPERLINK /sowiki/%E8%9F%91%E8%9E%82?prd=content_doc_search o 蟑螂 蟑螂也能給科學(xué)家提供設(shè)計(jì)的靈感，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，蟑螂在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，每次只有三條腿著地，一邊兩條，一邊一條，循環(huán)反復(fù)，根據(jù)這個(gè)原理，仿生學(xué)家制造出機(jī)械蟑螂，它不僅每秒能夠前進(jìn)三米，而且平衡性非常好，能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，不遠(yuǎn)的將來，太空探索或排除地雷，就是它的用武之地。機(jī)器梭子魚：麻省理工學(xué)院的機(jī)器 HYPERLINK /sowiki/%E6%A

14、2%AD%E5%AD%90%E9%B1%BC?prd=content_doc_search o 梭子魚 梭子魚，是世界上第一個(gè)能夠自由游動(dòng)的機(jī)器魚。它大部分是由玻璃纖維制成的，上覆一層鋼絲網(wǎng)，最外面是一層合成彈力纖維。尾部由彈簧狀的錐形玻璃纖維線圈制成，從而使這條機(jī)器梭子魚既堅(jiān)固又靈活。一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)為這條機(jī)器魚提供動(dòng)力。機(jī)器蛙：機(jī)器 HYPERLINK /sowiki/%E8%9B%99?prd=content_doc_search o 蛙 蛙腿的膝部裝有彈簧，能像青蛙那樣先彎起腿，再一躍而起。機(jī)器蛙在地球上一躍的最遠(yuǎn)距離是2.4米；而在火星上，由于火星的重力大約為地球的1/3，機(jī)器蛙的跳遠(yuǎn)

15、成績(jī)則可遠(yuǎn)達(dá)7.2米，接近人類的跳遠(yuǎn)世界紀(jì)錄。因此它不會(huì)再像5年前的火星越野車那樣在一塊小石頭面前一籌莫展了。機(jī)器蜘蛛：這是太空工程師從 HYPERLINK /sowiki/%E8%9C%98%E8%9B%9B?prd=content_doc_search o 蜘蛛 蜘蛛攀墻特技中得到靈感而創(chuàng)造出的。它安裝有一組天線模仿昆蟲觸角，當(dāng)它邁動(dòng)細(xì)長(zhǎng)的腿時(shí)，這些觸角可探測(cè)地形和障礙。機(jī)器蜘蛛原形很小，直立高度僅18厘米，比人的手掌大不了多少?！爸┲雮b”們不僅能攀爬太空越野車無法到達(dá)的火星陡坡地形，而且成本也經(jīng)濟(jì)許多，這樣，一大批太空“蜘蛛俠”就會(huì)遍布在火星大地的各個(gè)角落。 HYPERLINK /sow

16、iki/%E6%9C%BA%E5%99%A8%E9%87%91%E6%9E%AA%E9%B1%BC?prd=content_doc_search o 機(jī)器金槍魚 機(jī)器金槍魚：機(jī)器金槍魚機(jī)器金槍魚是麻省理工學(xué)院自“查理”之后在機(jī)器魚研制方面取得的最新成果。這個(gè)新原型擁有柔軟的身體，體內(nèi)只裝有1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)以及6個(gè)移動(dòng)部件，使其能夠在更大程度上模擬真實(shí)魚的移動(dòng)。仿生機(jī)器人展望仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)的微型化微型仿生機(jī)器人可用于小型管道進(jìn)行檢測(cè)作業(yè),可進(jìn)入人體進(jìn)行檢查和實(shí)施治療而不傷害人體也可以進(jìn)入狹小的復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行作業(yè)等仿生機(jī)器人微型化的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的微型化即將驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)裝置、傳感器、控制器、電源等集成

17、到一塊硅片上構(gòu)成微機(jī)電系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的微型化仿生機(jī)器人的相似性和多變性 在軍事偵察和間諜任務(wù)中如果仿生機(jī)器人的外形與所模仿的生物外形完全一致將能更隱蔽地、更安全地完成任務(wù)日本研制的變形機(jī)器人包括若干小機(jī)器人,小機(jī)器人通過紅外傳感器和照相機(jī)識(shí)別周圍的障礙物然后相互協(xié)調(diào)按照不同需要組合成狗、蜘蛛和蛇等7種形態(tài),可以根據(jù)環(huán)境變化而改變自己的形狀機(jī)器人的多變性使其能夠進(jìn)入各種人類難以接近的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施調(diào)查還有望應(yīng)用于航天探測(cè)等領(lǐng)域仿人機(jī)器人的多功能性21世紀(jì)人類將進(jìn)入老齡化社會(huì)發(fā)展多功能仿人機(jī)器人將彌補(bǔ)年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重不足,解決老齡化社會(huì)的家庭服務(wù)和醫(yī)療等社會(huì)問題,并能開辟新的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造新的就業(yè)