gongping生物机器人的研究现状及其发展方向

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1、《机械创新设计》课程考核论文班级学号姓名序号2014年11月20日6生物机器人的研究现状及其发展方向摘  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

2、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

3、研究受到更多的重视。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

4、人始于上世纪 690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.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

5、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。  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。 2.1刺激感受器诱导动物运动 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

6、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 。首先利用轨迹球—计算机装置，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。

7、此后，研究人员又进一步减轻遥控刺激器的重量，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。  2.2刺激基底神经节诱导动物运动 6基底神经节是大脑皮层下一些神经核团的总称，是大脑皮层下的一个运动调节中枢，其主要结构是纹状体。鸟类的纹状体高度发达，是其最高级的运动中枢。2007年，山东科技大学完成了鸽子机器人（机器人鸟 ）的研制。他们用计算机产生具有一定规律的电信号编码，通过植入家鸽丘脑的腹后外侧核和古纹状体内的数根微电极，施加人工干预控制指令，使家鸽在人工诱导下实现了起飞、盘旋、左转、右转、前进等特定动

8、作。2.3刺激感觉皮层或边缘系统诱导动物运动 2002年，Nature杂志报道，美国纽约州立大学的Talwar博士领导的科研小组成功实现了人工诱导老鼠的各种运动行为。科研人员通过刺激感觉皮层和边缘系统的一个“奖赏中枢 ”制导老鼠运动，他们在大白鼠脑内植入了三对刺激微电极，其中两对电极植入接受左右胡须输入的体感运动皮层区（somatosensory cortex，SI），对