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1、 仿生机械是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计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。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。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
2、电假手等；机器人则是用计算机控制的工程技术系统。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、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。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。进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化
3、。 第7章 仿生机械学7.1 7.1 仿生机械学定义仿生机械学定义.1515世纪意大利的列奥纳多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，并绘制了扑翼达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行，并绘制了扑翼机图。到机图。到1919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，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。制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。19031903年，美国的莱特兄弟发明年，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了飞机。然而，在很长一段时间内，人们对于生物与机器
4、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。直到同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到2020世纪中叶，由于原子世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，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
5、探测等方面有着生物在能量转换、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“控制论控制论”理论。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。理论基础。19601960年年 9 9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物生物原型是新技术的关键原型是新技术的关键”的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿的论题，从而确立了仿生学学科，以后
6、又形成许多仿生学的分支学科。生学的分支学科。19601960年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨论会。论会。19701970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。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7.2 7.2 仿生机械简史仿生机械简史.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
7、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。第7章 仿生机械学7.3 7.3 仿生机械学研究领域仿生机械学研究领域.7.4.1生物形态与工程结构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。这种
8、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。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
9、、绝热和隔音性能良好的优点。同时这一结构重量轻、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。箭，甚至于人类日常的现代化生活家具中。第7章 仿生机械学7.4 7.4 仿生设计仿生设计.7.4.2生物形态与运动生物形态与运动 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
10、惊人的速度。第7章 仿生机械学7.4 7.4 仿生设计仿生设计.7.5.17.5.1仿生机械与机器人技术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2030，最大奔跑速度超过1m/s
11、。第7章 仿生机械学7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程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23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
12、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。第7章 仿生机械学7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程仿生机械与机器人技术、康复工程.7.5.2仿生机器人的研究仿生机器人的研究1. 1. 运动机理仿生运动机理仿生 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
13、，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。第7章 仿生机械学7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程仿生机械与机器人技术、康复工程.（1）无肢生物爬行仿生无肢运动是一种不同于传统的轮式或有足行走的独特的运动
14、方式。目前所实现的无肢运动主要是仿蛇机器人，具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点。美国的蛇形机器人则代表了当今世界的先进水平。（2）双足生物行走仿生两足型行走是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。世界上第一台两足步行机器人是日本在1971 年试制的Wap3，最大步幅15mm ，周期45s。但直到1996年日本本田技术研究所才制造出世界上第一台仿人步行机器人P2。1997年本田推出P3，2000年推出ASIMO，索尼也相继推出机器人SDR23X 和SDR24X。 第7章 仿生机械学7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程仿生机械与机器人技术、康复工程.（3）四足等多足生物行
15、走仿生与双足步行机器人相比，四足、六足等多足机器人静态稳定性好，又容易实现动态步行，因而特别受到包括中国在内的近20 多个国家的学者的青睐。日本Tmsuk 公司开发的四足机器人首次实现了可移动重心的行走方式。第7章 仿生机械学7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程仿生机械与机器人技术、康复工程.（4）跳跃运动仿生 跳跃运动仿生主要是模仿袋鼠和青蛙. 美国卡内基梅隆大学的模仿袋鼠的弓腿跳跃机器人，重2. 5kg，腿长25cm，重0. 75kg ，采用1000NM/g 的单向玻璃纤维合成物作弓腿，被动跳越时能量损失只有2030 %，最高奔跑速度略高于1m/ s。日本Tamiya 公司开发了一种袋鼠
16、机器人，全长18cm，低速时借助前后腿步行，高速时借助后退和尾部保持平衡，可通过改变尾部转向。明尼苏达大学的微型机器人可跳跃、滚动，可登楼梯，跳过小的障碍，两个独立的轮子可帮助机器人在需要时滚到一定的位置。美国太空总署和加州理工大学研制的机械青蛙重约1. 3kg，有一条腿，装有弹弓，一跃达1.8m，可自行前进及修正路线，适合执行行星、彗星及小行星的探索任务。（5）地下生物运动仿生 江西南方治金学院袁胜发等人模仿蚯蚓研制了气动潜地机器人，由冲击钻头和一系列充气气囊节环构成，潜行深度10m，速度5m/min，配以先进的无线测控系统，具有较好的柔软性和导向性，能在大部分土壤里潜行，但还不能穿透坚硬的岩石。第7章 仿生机械学7.5 仿生机械与机器人技术、康复工程仿生机械与机器人技术、康复工程.（6）水中生物运动(游泳) 仿生海洋动物的推进方式具有高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器的模仿对象。突出的代表有美国MIT 的机器金枪鱼和日本的鱼形机器人。机器金枪鱼由振动的金属箔驱动外壳的变形，模仿金枪鱼摆动推进。继机器金枪鱼之后，他们还研制出机器
