仿生机械学PPT课件
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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。
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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。.
第7章 仿生机械学
7源自文库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。
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
7.2 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。
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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
7.4 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
7.3 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。
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。
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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。.
第7章 仿生机械学
7源自文库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。
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
7.2 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。
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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
7.4 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
7.3 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。