仿生机器人技术教材

(c) 鲉行式：又称鲹 科结合新月形尾鳍 模式，鱼类有灿鱼、 鳍鱼、马林鱼等， 常有大展弦比的尾 鳍，在快速运动中 最为高效。海洋中 游速最高的鱼类大 都采用这种游动方 式。
BCF推进方式 (a)鳗行式 (b)鳟行式 (c) 鲉行式
据统计，大约只有15%的鱼类采用BCF推进方式以外的其他方式 推进。由于MPF推进方式速度慢、效率低，因此我们把研究的 重点放在BCF推进方式中在速度、加速度和可操控性上有最好的 平衡的鲹科模式。
3 信息融合问题
信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的 局部环境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗 余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。
4 机构设计问题
生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械 来完全取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单 关节组成高灵活性的机器人机构。
鱼类的高效、快速、机动灵活的水下推进方式吸引了国内外的科学 家们从事仿生机器鱼的研究。美国、日本等国的科学家们研制出了 各种类型的仿生机器鱼实验平台和原理样机。国内的中科院自动化 研究所和北京航空航天大学等单位已研制了机器鱼样机。
基于鲹科模型的 “游龙”系列机械鱼
2.2 仿生机器人关键技术问题
1 建模问题
5 微传感和微驱动问题
微型仿生机器人的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等多学 科。对于微型仿生机器人的制造，需要解决一些工程上的问题。如动力 源、驱动方式、传感集成控制以及同外界的通讯等。
2.3 仿生机器人发展趋势
特种仿生机器人 微型化仿生机器人 仿形仿生机器人 生物仿生机器人
3 仿生机器鱼
仿生机器人的运动具有高度的灵活性和适应性，其一般都是冗 余度或超冗余度机器人，结构复杂。运动学和动力学模型与常 规机器人有很大差别，且复杂程度更大。
2 控制优化问题
机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂 化。复杂巨系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体 大于组分之和”，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统 具有实时处理能力。
仿生机器人
机器人引论
仿生机器人
1 仿生机器人的特点 2 仿生机器人的研究概述 3 仿生机器鱼 4 四足仿生机器人
仿生机器人的特点
仿生机器人是近十几年来出现的新型机器人。它的思想来 源于仿生学，其目的是研制出具有动物某些特征的机器人。
仿生机器人是仿生学的先进技术与机器人领域的各种应用 的最佳结合。
3.1鱼类推进理论
1 鱼类形态描述
下图给出了常用的描述鱼体形态的术语。
鱼体通常为纺锤形体或 扁平形流线体，可以极 大的减小形体阻力。鳍 对大多数鱼类的游动能 力起到决定性的作用， 一般来讲，尾鳍提供前 向游动的主要动力，中 间鳍起平衡作用，而对 鳍主要起到转弯和平衡 的作用。
2 鱼类游动方式分类
3 鲹科类推进机理
在有流速流场里的非流线型物体，会沿来流的方向在其后面形成一连 串交错而反向的尾涡，即卡门涡街。通过观察，人们发现BCF推进方式 中摆动尾鳍后同样有尾涡串的存在，但和卡门涡街恰好相反，称为反 卡门涡街。反卡门涡街形成一种类似喷流的流动，这种喷流平行于鱼 体前进的方向，产生推力。
MPF (Median and/or Paired Fin)推进方式：它主要是利用除了尾鳍之 外的一些鱼鳍划动向前推进，如胸鳍、腹鳍、臀鳍、背鳍等。这类 鱼较少，大多数的鱼类只是利用这些鳍来保持平衡和控制转向。
(a) 鳗行式：又称身体波动式，如鳗鱼、水蛇等，它们的游动犹如正弦波 形的前进一样，把身体当作推进器，用从头到尾波动身体来游动，其前 进单位距离所需推力最小。 (b) 鳟行式：又称鳍科模式，如蹲鱼、鲜鱼等，是最常见的方式，在速度、 加速度方面和可操控性上有最好的平衡。
壁虎机器人：目前世界上关于仿壁虎机器人的研制还处在初步阶段， 真正实现类似壁虎的全空间无障碍运动的机器人还需要时间。
机械蜘蛛
壁虎机器人：
加州大学伯克利分校 Robert Full等人研制 的能在干燥环境下实 现壁面爬行的仿壁虎 机器人的样机
3 水下仿生机器人
水下机器人又称为水下无人潜器，分为遥控、半自治及自治型。水 下机器人是典型的军民两用技术，不仅可用于海上资源的勘探和开 发，而且在海战中也有不可替代的作用。
喷射式：乌贼、鱿鱼、水母等依照身体躯干的特殊构造，它们由身 体内部的特殊部位向后挤压水流产生后向推力，利用动量守恒原理 推动身体前进。
BCF (Body and/or Caudal Fin)推进方式：这种推进方式也被称作尾鳍 摆动式。又可分为鳗行式(Anguilliform)，鳟行式(Carangiform)和鲉行 式(Thunniform)。它们的显著特点是主要利用鱼的身体后半段和尾 鳍协调摆动前进。
仿生机器人是机器人发展的最高阶段，它既是机器人研究 的最初目的，也是机器人发展的最终目标之一。
机器人分为第零代原始机器人，第一代示教(工业)机器人， 第二代感知(遥控) 机器人，第三代智能机器人和第四代仿 生机器人。
2 仿生机器人的研究慨述
2.1 研究现状
1 飞行机器人
飞行机器人即具有自主导航能力的无人驾驶飞行器。其飞行原理分为： 固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行。固定翼技术已经成熟，但其翼展 在200mm以下时不足以产生足够的升力。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，故 被称为“人工昆虫”。
目前对飞行运动进行仿生研究的国家主要是美
国，剑桥大学和多伦多大学也在开展相关方面 的研究工作。图2是美国加州大学伯克利分校的 研究小组用了4年的时间，基于仿生学原理制造 出的世界上第一只能飞翔的“机器苍蝇”。
机械苍蝇
2 陆地仿生机器人
机械蜘蛛：美国宇航局(NASA)喷气推进实验室于2002年12月研制成功 的机器蜘蛛Spider-pot，装有一对可以用来探测障碍的天线，且拥有异 常灵活的腿。它们能跨越障碍，攀登岩石，探访靠轮子滚动前进的机 器人无法抵达的区域。