機器人技術(shù)作為一門新興學科，在工業(yè)飛速發(fā)展的今天扮演著非常重要的作用，而其發(fā)展與機械電子、機電一體化、控制原理等多學科的發(fā)展息息相關(guān)。仿生機器人作為機器人領域的一大分支，可以說是本世紀一個不可忽視的領域，也將是機器人日后發(fā)展的大方向。

仿生學是20世紀60年代出現(xiàn)的一門綜合性邊緣學科,它由生命科學與工程技術(shù)科學相互滲透、相互結(jié)合而成。它在精密雷達、水中聲納、導彈制導等許多應用領域中都功不可沒。仿生學將有關(guān)生物學原理應用到對工程系統(tǒng)的研究與設計中, 尤其對當今日益發(fā)展的機器人科學起到了巨大的推動作用。

當代機器人研究的領域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點作業(yè)中走出來, 向航空航天、星際探索、軍事偵察攻擊、水下地下管道、疾病檢查治療、搶險救災等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方面發(fā)展. 未來的機器人將在人類不能或難以到達的已知或未知環(huán)境里為人類工作 。 人們要求機器人不僅適應原來結(jié)構(gòu)化的、已知的環(huán)境 , 更要適應未來發(fā)展中的非結(jié)構(gòu)化的、未知的環(huán)。 除了傳統(tǒng)的設計方法 , 人們也把目光對準了生物界 , 力求從豐富多彩的動植物身上獲得靈感 , 將它們的運動機理和行為方式運用到對機器人運動機理和控制的研究中 , 這就是仿生學在機器人科學中的應用 。 這一應用已經(jīng)成為機器人研究領域的熱點之一 , 勢必推動機器人研究的蓬勃展 。

自然界生物的運動行為和某些機能已成為機器人學者進行機器人設計、實現(xiàn)其靈活控制的思考源泉 ， 導致各類仿生機器人不斷涌現(xiàn) 。 仿生機器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機能的機器人系統(tǒng) 。 仿生機器人的類型很多 , 按其模仿特性分為仿人類肢體和仿非人生物兩大類。由于仿生機器人所具有的靈巧動作對于人類的生產(chǎn)和科學研究活動有著極大的幫助 , 所以 , 自 80 年代中期以來 , 機器人科學家們就開始了有關(guān)仿生機器人的研究 。 仿人型步行機器人是目前機器人技術(shù)的前沿課題 , 是具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難題之一 。

日本本田公司和大阪大學聯(lián)合推出的 P2 和 P9 型仿人步行機器人代表了當今世界的最高水平 。 仿非人生物機器人的研究近二十年來一直是一個非常活躍的領域 , 國外很多研究機構(gòu)和公司在進行這方面的研究和開發(fā)。 Keisuke Arikawa 等研究的 TITAN - Ⅷ 型四足步行機器人能夠以穩(wěn)定的方式在不平的地面行走 , 可以以非接觸方式繞過地面上的障礙 , 能夠向任何方向運動 , 同時腿的自由度可以用于工作 。以上即是仿生機器人的發(fā)展現(xiàn)狀， 關(guān)于仿生機器人的研究 , 美國和日本走在前列 , 此外加拿大、英國、瑞典、挪威、澳大利亞等國也都在開展這方面的技術(shù)研究 。

仿生機器人的主要研究問題很多，主要包括以下五個問題：第一，建模問題。仿生機器人的運動具有高度的靈活性和適應性, 其一般都是冗余度或超冗余度機器人, 結(jié)構(gòu)復雜。運動學和動力學模型與常規(guī)機器人有很大差別,且復雜程度更大。為此, 研究建模問題, 實現(xiàn)機構(gòu)的可控化是研究仿生機器人的關(guān)鍵問題之一。第二，控制優(yōu)化問題。機器人的自由度越多, 機構(gòu)越復雜，必將導致控制系統(tǒng)的復雜化。復雜巨系統(tǒng)的實現(xiàn)不能全靠子系統(tǒng)的堆積, 要做到“整體大于組分之和”, 同時要研究高效優(yōu)化的控制算法才能使系統(tǒng)具有實時處理能力。第三，信息融合問題。在仿生機器人的設計開發(fā)中, 為實現(xiàn)對不同物體和未知環(huán)境的感知, 都裝備有一定量的傳感器, 多傳感器的信息融合技術(shù)是實現(xiàn)其具有一定智能的關(guān)鍵. 信息融合技術(shù)把分布在不同位置的多個同類或不同類的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合, 消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾, 從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應的快速性和正確性。第四，機構(gòu)設計問題。合理的機構(gòu)設計是仿生機器人實現(xiàn)的基礎。生物的形態(tài)經(jīng)過千百萬年的進化, 其結(jié)構(gòu)特征極具合理性, 而要用機械來完全仿制生物體幾乎是不可能的, 只有在充分研究生物肌體結(jié)構(gòu)和運動特性的基礎上提取其精髓進行簡化, 才能開發(fā)全方位關(guān)節(jié)機構(gòu)和簡單關(guān)節(jié)組成高靈活性的機器人機構(gòu)。最后，即是微傳感和微驅(qū)動問題。微型仿生機器人有些已不是傳統(tǒng)常規(guī)機器人的按比例縮小, 它的開發(fā)涉及到電磁、機械、熱、光、化學、生物等多學科。對于微型仿生機器人的制造, 需要解決一些工程上的問題。如動力源、驅(qū)動方式、傳感集成控制以及同外界的通訊等。

生物在地球上已經(jīng)生存了億萬年 , 它們進化得如此完美以致于在機器人的設計中處處可見它們的蹤跡 。 下面僅就運動機理和行為方式兩個方面討論其在機器人設計中的應用 。 生物運動機理在仿生機器人研究中的應用十分廣泛，其應用涉及航空、軍事、醫(yī)學等各個領域。第一種是陸地機器人， 它要求機器人在各種地形表面能以各種方式運動 。第二種是水下機器人， 水下機器人由于其所處的特殊環(huán)境 , 在機構(gòu)設計上比陸地機器人難度大 。 在水下深度控制、深水壓力、線路絕緣處理及防漏、驅(qū)動原理、周圍模糊環(huán)境的識別等諸多方面的設計均需考慮 。第三種是地外探險機器人， 在探索地球以外其他星球的活動中 , 當然少不了機器人的參與 。 機器人接受人的指令 , 完成指定的任務 。 由于地外星球地貌復雜、環(huán)境惡劣 , 因此 , 對地外探險機器人的要求比對普通陸地機器人的要求更高 。

先進制造技術(shù)的發(fā)展對仿生機器人的研究正起著積極的促進作用 。 隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展 , 工業(yè)機器人已從當初的上下料功能向高度柔性、高效率和精密裝配功能轉(zhuǎn)化 , 因此 , 開發(fā)面向先進制造環(huán)境的仿人機械臂及靈巧手有大量的理論與實踐工作要做 。 目前運行的絕大多數(shù)機器人都是固定式的 , 它們只能固定在某一位置上進行操作 , 因而其應用范圍和功能受到限制 。 近年來 , 對移動機器人的研究受到越來越多的重視 , 使機器人能夠移動到固定式機器人無法達到的預定目標 , 完成設定的操作任務 。 移動機器人中絕大多數(shù)是仿生機器人 , 包括步行機器人和爬行機器人等 。 仿生移動式機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和國防上具有廣泛的應用前景 , 它們能用于衛(wèi)星探測、軍事偵察、危險的廢料處理以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中 。

科學家預言 , 21 世紀的尖端技術(shù)之一是微型機器人 。 仿生微型機器人可用于小型管道進行檢測作業(yè) , 可進入人體腸道進行檢查和實施治療而不傷害人體 , 也可以進入狹小的復雜環(huán)境進行作業(yè) , 因此 , 機器人的小型化和微型化是一個發(fā)展趨勢 。