仿生机械学PPT课件

第7章 仿生机械学
7.3 仿生机械学研究领域
仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人， 生物力学研究生命的力学现象和规律，控制体和机器人是 根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中用人 脑控制的称为控制体(如肌电假手、装具)；用计算机控制 的称为机器人。仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械 手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各 种机械。
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第7章 仿生机械学
7.2 仿生机械简史
15世纪意大利的列奥纳多· 达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行，并绘制了扑翼 机图。到19世纪，各种自然科学有了较大的发展，人们利用空气动力学原理， 制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903年，美国的莱特兄弟发明 了飞机。然而，在很长一段时间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共 同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到20世纪中叶，由于原子 能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装臵应具有适应 性和高度的可靠性。而以往的各种机械装臵远远不能满足要求，迫切需要寻 找一条全新的技术发展途径和设计理论。随着近代生物学的发展，人们发现 生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面有着 以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了“控制论”理论。 它是研究机器和生物体中控制和通信的科学，奠定了机器与生物可以类比的 理论基础。1960年 9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物 原型是新技术的关键”的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿 生学的分支学科。1960年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨 论会。1970年日本人工手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确 . 立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。
第7章 仿生机械学
7.1 仿生机械学定义
仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计 制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。 仿生机械学研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。 生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生物体材料力 学、生物体机械力学和生物体流体力学；控制体是根据从 生物了解到的知识建造的用人脑控制的工程技术系统，如 机电假手等；机器人则是用计算机控制的工程技术系统。 仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、 医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医 学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。 它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。
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第7章 仿生机械学
7.4 仿生设计
7.4.2生物形态与运动 现代的各种交通工具，如汽车、飞机、舰船等，均需 要一定的工作条件，若在崇山峻岭或沼泽中则无法工作。 但自然界中有各种各样的动物，在长期残酷的生存斗争中， 它们的运动器官和体形都进化得特别适合在某种恶劣环境 下运动，并有着惊人的速度。
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第7章 仿生机械学
第7章 仿生机械学
7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程
7.5.2仿生机器人的研究
1. 运动机理仿生 运动仿生是仿生机器人研发的前提。而进行运动仿生的关键在于 对运动机理的建模。在具体研究过程中，应首先根据研究对象的具体 技术需求，有选择地研究某些生物的结构与运动机理，借助于高速摄 影或录像设备，结合解剖学、生理学和力学等学科的相关知识，建立 所需运动的生物模型，在此基础上进行数学分析和抽象，提取出内部 的关联函数，建立仿生数学模型，最后利用各种机械、电子、化学等 的方法与手段，根据抽象出的数学模型加工出仿生的软、硬件模型。 生物原型是仿生机器人的研究基础，软硬件模型则是仿生机器人的研 究目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。只有借助于数学 模型才能从本质上深刻地认识生物的运动机理，从而不仅模仿自然界 中已经存在的两足、四足、六足以及多足行走方式，同时还可以创造 出自然界中所不存在的一足、三足等行走模式以及足式与轮式配合运 动等。
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第7章 仿生机械学
7.4 仿生设计
7.4.1生物形态与工程结构
自然界中巧妙的薄壳结构具有各种不同形状的弯曲表面，不仅外 形美观，还能够承受相当大的压力。在建筑工程上，人们已广泛采用 这种结构，如大楼的圆形屋顶、模仿贝类制造的商场顶盖等。 动物界中，辛勤的蜜蜂被称为昆虫世界里的建筑工程师。它们用蜂蜡 建筑极规则的等边六角形蜂巢，无论从美观和实用角度来考虑，都是 十分完美的。它不仅以最少的材料获得了最大的利用空间，而且还以 单薄的结构获得了最大的强度。 在蜂巢的启发下，人们仿制出了建筑上用的蜂窝结构材料，具有 重量轻、强度和刚度大、绝热和隔音性能良好的优点。同时这一结构 的应用，已远远超出建筑界，它已应用于飞机的机翼，宇宙航天的火 箭，甚至于人类日常的现代化生活家具中。
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第7章 仿生机械学
7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程
我国对仿生机器人的研究始于20世纪90年代，经过十多年 的研究，在仿生机器人方面也取得了很多成果，研制出了 相关的机器人样机，而且有些仿生机器人在某些方面达到 了国外先进水平。比如，北京理工大学于2002年研制出拟 人机器人，具有自律性，可实现独立行走和太极拳等表演 功能；北京航空航天大学和中国科学院自动化所于 2004年 研制出我国第一条可用于实际用途的仿生机器鱼，其身长 1.23 米，采用 GPS 导航，其最高时速可达 1.5m/s ，能在水 下持续工作 2~3 小时；南京航空航天大学 2004 年研制出我 国第一架能在空中悬浮飞行的空中仿生机器人 ——扑翼飞 行器；哈尔滨工业大学于2001年研制的仿人多指灵巧手具 有12个自由度和96个传感器，可完成战场探雷、排雷以及 检修核工业设备等危险作业。.
7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程
7.5.1仿生机械与机器人技术 仿生机器人是仿生机械学中的一个最为典型的应用实例， 其发展现状基本上代表了仿生机械学的发展水平。日本和 美国在仿生机器人的研究领域起步早，发展快，取得了较 好的成果。比如，日本东京大学在1972年研究出世界上第 一个蛇形机器人，速度可达40cm/s；日本本田技术研究所 于1996年研制出世界上第一台仿人步行机器人，可行走、 转弯、上下楼梯和跨越一定高度的障碍；美国卡内基梅隆 大学1999年研制的仿袋鼠机器人采用纤维合成物作为弓腿， 被动跳跃时的能量仅损失20～30％，最大奔跑速度超过 1m/s。