仿生感知与先进机器人课程报告(1)
时间：2020-11-22 00:12:07 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
仿生感知与先进机器人技术课程报告
Harbin Institute of Technology
仿生感知与先进机器人技术课程报告(1)
报告题目：仿生学及仿生机械学发展动态
院 系：机电工程学院
班 级：
姓 名：
学 号：
哈尔滨工业大学机电工程学院
报告(1)内容与要求
写一篇仿生学及仿生机械学发展动态的报告。
报告内容应当包括：什么是仿生学、仿生机械学；国内外仿生机械学研究进展；对这门课程的认识与建议。
要求3000字以上，A4纸打印并以班为单位提交电子文档。
一、仿生学、仿生机械学介绍
1、仿生学
（1）起源
很久以前人们就发现，一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上是超越了人类自身的在此方面的技术设计方案的。植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。为了在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能，仿生学出现了。
“仿生学”一词是1960年由 美国斯蒂尔根据 拉丁文“ bios（生命方式的意思）”和字尾“ nlc（‘具有……的性质’的意思）”的组合命名的。
（2）定义
仿生学是指模仿 生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的 边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作 原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。
不可否认，生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、 信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种 生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（ 游泳时能防止身体表面产生紊流）应用到潜艇设计 原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将 生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门 学科。
（3）研究范围
仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。
力学仿生是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；
分子仿生是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；
能量仿生是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；
信息与控制仿生是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机
2、仿生机械学
（1）起源
仿生机械学是上世纪60年代初期出现的一门综合性的新兴边缘学科，它是生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而形成的。包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。
（2）定义
如果把传统的机械称之为一般机械的话，仿生机械应该是指添加有人类智能的一类机械。在物理和机械机能方面，一般机械要比人类的能力要强许多，但在智能方面却比人类要低劣的多。因此，若把人、机结合起来，就有可能使一般机械进化为仿生机械。从这一角度出发，可以认为仿生机械应该是既具有像生物的运动器官一样精密的条件，又具有优异的智能系统，可以进行巧妙的控制，执行复杂的动作。
由此可以这样定义：仿生机械学是模仿生物的形态、结构和控制原理而设计制造功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械的学科。
由于能制造出在结构、功能、材料、控制、能耗等诸方面相对更加合理的机械系统，仿生机械学正越来越受到重视。
（3）研究动向
①生物材料力学和机械力学
以骨或软组织（肌肉、皮肤等）作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究，对骨和肌肉的相互作用等进行分析。
另外，生物的形态研究也是一大热门。因为生物的形态经过亿万年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。
②生物流体力学
主要涉及生物的循环系统，关于血液动力学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的学科。
③生物运动学
生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。
虽然各种生物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要的基础研究，但在仿生机械学中，目前特别重视人体上肢运动及步行姿态的测定与分析，因为人体上肢运动机能非常复杂，而下肢运动分析对动力学研究十分典型。这对康复工程的研究也有很大的帮助。
④生物运动能量学
生物的形态是最优的，同样，节约能量消耗量也是生物的基本原理。从运动能量消耗最优性的特点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析、研究，特别是对有关能量的传递与变换的研究，是很有意义的。
⑤康复工程学
包括如动力假肢、电动轮椅、病残者用环境控制系统等。它涉及许多学科和技术，比如对于动力假肢，只有在解决了材料、能源、控制方式、信号反馈与精密机械等各种问题之后才能完成，而且这些装置还要作为一种人——机系统进行评价、试用，走向实用化的道路是非常艰难和曲折的。
⑥机器人的工程学
是把生物学的知识应用于工程领域的典型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生产、灾害现场等异常环境中帮助和代替人类进行作业。机器人不仅要有移动功能的人造手足，而且还要有感觉反馈功能及人工智能。目前研究热点为人造手、步行机械、三维物体的声音识别等。
二、国内外仿生机械学研究进展
目前，国内外仿生机械学研究分为多种功能角度，以下将从仿生机械的各功能角度的发展状况来说明国内外仿生机械学的研究进展
1、仿生抓取机械
目前仿生机械在抓取功能方面的研究集中于仿人形机械手,主要因为人手(含手臂)共有27个自由度,不但能精确定位还能做出复杂精细的动作,这些都是传统机械很难做到的。它们可分为工业机器人用机械手、科研智能机器人用机械手和医疗用机械手。
（1）工业机器人用机械手。
20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人;自第一台正式工业机器人成功投入使用以来,各工业发达国家都开始重视研制和应用工业机器人。许多单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,均是由工业机器人(手)来完成的,例如冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序,以及在原子能工业等部门中,搬运对人体有害物料。在这方面,日本一直处于领先地位,具有代表的如川崎重工的工业机器人(手)。
（2）科研智能机器人用机械手。
人类对太空和海洋进行探索、研究和利用的要求越来越迫切。在海洋和太空的环境非常恶劣,需要利用机器人替代人去完成大量的工作,能实现精确操作的仿生机械手可以大大扩大机器人的工作任务范围和任务精度。最具代表性的当属月球车上的仿生机械手,不仅可以承担探测、拍照等任务,还可以进行样本采集、分析等。
（3）医疗用机械手。
医疗机器人是一个新兴的、多学科交叉的研究领域,已经成为国际机器人领域的一个前沿研究热点。很多外科手术需要医生长时间的或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作。可以预见,在不久的未来,仿生机械手可以在医生的监控或操作下,按照即定的方案,高精度地、高可靠地实施手术,并在规定的时限内完成。仿生机械手的发展意力可以为肢体残疾的病人带来福音。仿生机械手最早就是用于人的假肢,随着技术的发展,有可能出现假肢可以模仿人手做绝大部分的操作,并且病人使用方便、灵活。
（4）其他领域的应用。
除了以上几个领域的应用外,仿生机械手还可用于化学实验、生物合成等高精度的任务中去;还有一些如在安全领域,利用安装有灵巧手的机器人从事排爆、扫雷等排险、反恐作业。我们可以相信,在未来仿生机械手的应用会越来越广,具有人手一样的灵巧度,同时具有高度的精确度和可靠度。
2、仿生移动机械
移动机构作为运输的平台在汽车领域、机器人领域及各类特种任务完成领域有着举足轻重的作用,传统移动机构的主要形态是轮式,结构相对简单可靠,技术成熟,且科技的发展使得现代移动机构负重能力不断加强,灵活性不断提高,在大多数情况下都能满足要求。然而随着人类涉足领域越来越广泛,在某些特殊环境下却不见的是最佳选择。研究者也看到了生物体的移动能力对环境的适应性是机械无可比拟的,部分生物在特殊环境中的移动能力更是令人叫绝。正是由于认识到了这一点,仿生机械学者在仿生移动机构方面做了大量大的工作,取得了许多成果。
根据所移动环境的不同,这里将移动机构分为常规地形移动机构、松软地面移动机构、墙面移动机构和狭小空间移动机构。
（1）常规地形移动机构。
传统的轮式移动机构具备高速高效的移动性能,但在不规整地形下很难体现出这些优势,通过仿生机械的应用,得到了不错的进展。应用之一是在轮子与底盘之间加装一个转动副,这与生物的膝关节异曲同工,此类设计普遍见于月球车的移动机构设计中。即使这样,移动机构对地形的适应能力依然有限,车轮与腿结合衍生出了轮腿式移动机构,平坦地势采用轮子高速移动,遇到复杂地形时,展开腿部行走,此类机器人主要有美国JPL 的Go - For机器人和日本Tohoku大学的ChariotⅡ机器人等。相比前两种,足式移动机构适应能力最强,但结构也是最复杂的,两足的人形机器人、常规四足机器人、六足仿生机器蟹以及八足仿生蜘蛛等,分析运动步态稳定性是这一类移动机构的共同关键所在。另外,有一类仿生移动机构不得不提,即以伪刚体模型为基础的仿袋鼠跳跃跑动机构。
（2）松软地面移动机构。
沙漠、滩涂等松软地面机械领域长期以来一直存在这两大难题:土壤对移动机构的严重粘附和移动机构在松软地面的通过性差。生物脱复原理、脱附减阻仿生学理论及驼足越沙机理的研究和应用为解决此类难题指明了方向。吉林大学地面机械仿生技术实验所,在这方面处于较领先地位,研制出仿生步行轮、仿生驼足轮胎等移动机构。
（3）墙面移动机构。
作为一种可在地面、陡壁、天花板等不同方向面上自由灵活运动的四足动物,壁虎理所当然地成为了仿生学研究的重点对象,针对壁虎的移动机构主要分为吸附技术的研究与移动技术的研究。这方面,美国一直处于领先地位,斯坦福大学的Stickybot,无论在外形还是在运动能力上都达到了很高的仿生程度。
（4）狭小空间移动机构
对于瓦砾废墟等特殊地形,前面所述三类移动机构均很难适应,还包括地下等狭小空间处。蛇的爬行形态刚好对此有不错的适应性,因此,蛇的移动机理具有很高的仿生利用价值,美国NASA 的Snakebot蛇形机器人, 就能够穿梭在受灾现场的瓦砾狭缝之中, 寻找幸存者。此类移动机构部分是由带有轮子的模块串连而成, 运动直接由轮子驱动或蛇体内的行波传播产生, 如主动索状机构(ACM)和变几何桁架结构,另一部分是由刚性杆组成的链状结构, 运动由关节之间的扭转作用产生。
未来仿生机械学在移动机构中的应用将更加广泛,将以非结构化环境适应能力、智能化、可重构等方向发展。
3、仿生飞行机械
仿生学在飞行机械中的应用更多的是在微型飞行器(Micro AirVehicle,简称MAV )方面,尤其是微型扑翼飞行器( Flapp ing - Wing第24卷毕千等:仿生机械学发展综述·159·Micro AirVehicle ,简称FMAV) ,这是一种模仿鸟类和昆虫飞行,基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。目前对FMAV 空气动力学问题的研究还处于起步阶段,还没有具体的理论和经验公式可以遵循,不同于传统飞行理论, FMAV的研究主要从两个方面展开:非定常高升力机理分析和柔性扑翼的气动特性分析。
就国内外微型飞行器的研究现状来看,美国、澳大利亚、俄罗斯、印度、以色列等国已成立专门研究机构, 并投入专项研究经费,正在研制和开发各种性能独特的微型飞行器,其中有些微型飞行器已进入实用化研究阶段。现阶段,国内仅有部分高等院校和科研机构也开展微型飞行器的研究工作,与国外相比存在较大差距。
用仿生技术的微型飞行器的发展趋势将向着仿生智能微型飞行器方向发展。飞行器的大小和飞行性能可与鸟类和昆虫媲美。如加利福尼亚大学研制的“会飞的机器苍蝇”。
4、仿生游动机械
水下无人潜器(AUV)在海洋生物研究、地形勘测、海洋军事等方面的应用日益广泛,拥有广阔的应用价值和开发潜质。早在上世纪五六十年代,仿生机器鱼的研究就已经受到了机器人学者的重视,有关理论和实验得到不断发展,下表给出了部分重要理论和研究工作的发展。
无论是BCF还是MPF,机器鱼实验模型的尺度都较小,惯性也较小,当尺度增大时,转动惯性随尺度的5次幂增大(J∝ML2 , M∝ L3 ) ,当其尺寸增大到工程应用时,结构强度、运动平稳性等问题随之而来。另一方面行波推进所需要的鱼体摆动较大,使得其难于运用于仿生水下航行器。综合各种推进模式的优缺点,未来的仿生机器鱼将是一个具有刚性大体积身体且具备宽大的月牙形尾鳍起推进与转向作用,而背鳍与胸鳍等附件起控制作用的水下机器人。
5、其它仿生机械。
上述所提到的主要是运用于动态机械结构或者完成动态动作的仿生机械,这一部分偏重于功能原理仿生运用于机械工程中。除此之外还包括:（1)高刚度、强度的支撑结构,如通过仿蜜蜂巢房的特殊几何结构。（2)局部最优、减少应力集中的承力结构,如股骨的变截面过渡结构。（3)抗冲击、抗振的承力结构,如马蹄的结构。（4)仿生人造器官,如人造眼、人造耳朵、人造内脏、人造肢体等。
显然,仿生技术在机械工程中的应用远不止如此。而随着科学技术的进一步发展,机械工程中,包括功能性仿生和结构性仿生都将进一步发挥着它们特有的自然优势与神奇。
三、我对这门课程的认识与建议
仿生感知与先进机器人技术是我最喜欢的一门课，因为这门课与我的专业的联系最密切，而且我十分喜欢仿生技术和机器人技术。
我觉得这门课可以开阔我的视野，培养和提高我的创新能力。这门课与世界前沿科技联系紧密，它让我了解到世界各国仿生学研究的进展，使我认识到我国的仿生学研究与发达国家还有很大差距。我们这一专业的学生承担着发展祖国仿生科技的重要责任，这也更加坚定了我通过努力学好机械设计制造及其自动化专业来报效祖国的信心。
我对这门课程的建议就是上课时最好能展示一些仿生机械的模型，工大做的或者其他单位做的都行。这样就能使学生更加清楚地了解其中的原理了。
