仿生感知与先进机器人课程报告

报告

在此份报告中，我将就什么是仿生学、仿生机械学、国内外对仿生机械学研究的进展、以及对这门仿生感知与先进机器人课程的认识及建议进行逐一分析。

首先，让我们先来看看什么是仿生学。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)构成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。

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。这里就介绍了四种仿生学的研究范围，另外还有仿生机械学等。接下来就让我讲讲仿生机械学的相关内容。

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。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，它能轻易举起巨大的物体，在显微方面也可以拾取人手无法捕捉的东西。但在智能方面却比人类要低劣的多，毕竟这方面人脑可是占了巨大的优势。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，从而具有强大的功能。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。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。

目前，机械工程学科与纳米科学、信息科学和生物科学的交叉是20年来学科发展的最大特点。其中仿生机械学已经发展成为一门新的学科。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。

而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。

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。

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Chari otⅡ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。

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。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。

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。接下来就讲讲我对仿生感知与先进机器人这门课程的认识。这门课程从我们如何从自然界发现灵感并创造出仿造的机械开始，到最近的仿生蛇，其间还深入浅出地讲解了传感器等基本结构。使课堂本身生动有趣，学生听着犹如听故事一样。每个来哈工大的孩子内心都怀揣着一个亲手建造一个机器人的梦想。而仿生感知机器人这门课程给我们提供了最有效的理论依据，为我们如何制作机器人提供了强而有力的帮助。

对于这门课程，我有以下几点建议：课堂上应该展示一些实体，例如舵机什么的，增加学生的实体认知能力，这也能充分发挥学生的学习积极性。其次，学为己用，学习这门课最大的用途就是为我们大二制作实体做准备。老师要强调这门课的重要性。并不是通过强制布置作业就能增加上课人数。就目前中国仿生机械学情况看，中国的仿生学任重而道远。如何提高中国在这一方面在国际上的话语权，现在放在你们身上，而未来将在我们的身上。

这第三呢，我觉得一门课没有参考书实在不行，何不添加一书，使我