仿生感知与先进机器人课程报告

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

仿生感知与先进机器人技术

课程报告(1)

报告题目：仿生感知与先进机器人技术课程报告

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仿生学

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。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。

仿生机械学

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。

仿生学的诞生是建筑在生物科学的进步、以及与电子学的相互渗透的基础上。实际上它是一门涉及广阔领域的综合性的边缘学科，若以电子学为中心来考虑，就构成了仿生电子学，若以机械学为中心来考虑，则构成了仿生机械学。

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学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。

国内外仿生机械学研究进展

1．水下仿生机器人

水下机器人由于其所处的特殊环境，在机构设计上比陆地机器人难度大。在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑。以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压。由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展。鱼类在水下的行进速度很快，金枪鱼速度可达105km／h，而人类最快的潜艇速度只有84km／h。所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的，鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象。

仿鱼推进器效率可达到70％一90％，与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多，有效地解决了噪音问题。美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人。在国内，中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器鱼样机。就是北京航空航天大学机器人研究所研制的机器鱼样机。美国罗克威尔公司和Is机器人公司研制的扫雷机器蟹，得到了美国国防高级研究计划局及海军研究局的资助。这种扫雷机器蟹可以隐藏在海浪下面，在水中行走，也可以通过振动，将整个身子隐藏在泥沙中。扫雷机器蟹长约560mm，重10.4kg。它还装备了多个状态传感器和集成的控制系统，并且每条腿都具有2个运动自由度，当地形改变时，通过这些系统可迅速地调整机器人的姿态和运动方式，使机器人能稳定、迅速地到达目标区域。当遇到水雷时，就把它抓住，等待控制中心的命令。一旦收到信号，就会自己爆炸，同时引爆水

雷。

2．空中仿生机器人

空中机器人即具有自主导航能力，无人驾驶的飞行器。这类机器人活动空间广阔、运动速度快，居高临下而不受地形限制。在军事、森林火灾以及灾难搜救中，前景极好。其飞行原理分为：固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究。它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理，将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量做长距离飞行，同时具有较强的机动性，适合于长时间无能源补给及远距离条件下执行任务。

美国加州大学伯克利分校的科学家们利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”。他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺，造出了只有长10mm，宽3mm，厚0.005mm的仿生翅膀。它能够每秒钟扇动150下，而且还让机器蝇实现了绑在一根细线上的半自主飞行。其重量只有0.1g,身高不到30mm，在100m上空飞行，人们用肉眼几乎发现不了它，而它却可以拍出极为清晰的照片传回来。美国五角大楼对有望成为“微型间谍”的机器蝇极为重视，设想机器蝇在未来战争中，可以进行空中侦察，甚至可以带上微型炸药，袭击指定目标。在未来的机器蝇身上，将安装许多传感器和微型摄像机，可以用来发现森林火灾，在灾难中搜寻废墟中的幸存者。

3．地面仿生机器人

美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究，并研制出许多样机。日本东京大学的Hirose教授从仿生学的角度，在1972年研制了第一台蛇形机器人样机。美国卡内基一梅隆大学近日研

究出一种可以攀爬管道的蛇形机器人，这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成，最大也只有成人手臂大小。机器人配有摄像机和电子传感器，可以接受遥控指挥。蛇形机器人可以成功上下一根塑料管道，并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由。让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭，能更快地找到幸存者，为灾难救援工作带来了技术突破。在国内，上海交通大学、中科院沈阳自动化研究所、国防科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机。国防科技大学研制的蛇形机器人样机 ,是条长1200mm，直径60mm，重1.8kg的机器蛇，能扭动身躯，在地上或草丛中蜿蜒爬行，可前进、后退，转弯和加速，最大前进速度可达20m／min，披上特制的“蛇皮”后还能像蛇一样在水中游泳。机器蛇头部安装有视频监视器，可以将机器蛇运动前方的情况实时传输到电脑中，科研人员则可根据实时传输的图像观察运动前方的情景，不断向机器蛇发出各种遥控指令。

4．仿人机器人

自1983年以来，美国研制出一系列7自由度拟人单臂和双臂一体机器人，并已用于空间站实验。

1986年美国犹他州大学工程设计中心研制成功了著名的UTAHMIT 灵巧手，该手有4指，拇指2关节，其余3指各有3关节，手指关节绳索驱动并设有张力传感器。1990年由贝尔实验室完成了灵巧手的软硬件控制系统，并模拟人手的拿、夹、抓、握物体等多种动作进行了实验。1992年日本进行多指仿人手臂真实作业的研究，系统由主从手臂及传感控制系统组成，其灵巧手有4指，每指有3个关节，手具有14个自由度。随着多指灵巧手研究的发展，具有灵巧手的仿人臂及其系统的研