仿生感知与先进机器人技术课程报告

HarbinInstituteofTechnology仿生感知与先进机器人

技术课程报告(1)报告题目：对伤生学的调查报告院 系：机电工程学院机械制造及自动化系班 级：姓 名： 学 号： 哈尔滨工业大学机电工程学院报告(1)内容与要求写一篇仿生学及仿生机械学发展动态的报告。报告内容应当包括：什么是仿生学、仿生机械学；国内外仿生机械学研究进展；对这门课程的认识与建议。要求3000字以上，A4纸打印并以班为单位提交电子文档。对仿生学的了解一、 什么是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。二、 仿生学的发展情况仿生学是一门综合性边缘学科，它是生命科学与工程技术科学相互渗透，彼此结合而产生的。1960年，在美国召开了有史以来第一届仿生讨论会，J.E斯蒂尔少校将这门学科正式定名为/仿生学0。仿生学即复制自然和从自然获得想法。仿生学的研究内容随着现代科学技术的发展而不断得到丰富和发展，在电子仿生、机械仿生、建筑仿生、信息仿生等方面都取得了很大的成果。这一时期，仿生学往往被称作机械电子学。首次由美国空军科研处在1991年提出，目的是寻求生物学为材料设计和处理提供帮助。后来，J.F.V.Vincent教授给出一个更好的定义：从自然提取优秀的设计。近20年来，人们从生物体的结构和性能对应关系中得到了很多启示，已成功地把木、骨、贝壳和韧带等力学性能及其结构应用到聚合物和复合材料。从Bionics到Biomimetics，是对仿生学的进一步深化，它包括材料科学与工程、分子生物学、生物化学、物理学等其它学科，其研究内容相当丰富。从生物材料形态和结构的仿生发展到材料制备的仿生从生物材料的自愈合和功能适应性到材料的恢复和延寿及智能材料的研究。Biomimicry首次于1997年由JanineBenyus提出，是研究自然模型并进行模仿，或者从自然设计和过程中获得灵感以解决人类的问题。它的理念是:创新灵感源于自然，如太阳能电池设计从树叶得到灵感。Biomimicry是观察和评价自然的一种新方法，Biomimicry应用生态标准来判断人类创新的/合理性0,它更强调人类不只是从自然世界索取什么，而是应向自然学习什么。从Bionics到Biomimetics再到Biomimicry,由复制自然到吸取自然优秀的设计再到仿生灵感，从简单的仿生模拟到强调仿生研究的跨学科、集成性，再到重视仿生研究的创新性和生态友好性，体现了仿生学学科发展的方向和人们认识上的飞跃。三、对仿生机械学的认识1.概念仿生机械是通过研究和探讨生物机制，仿照生物外形、结构或者功能而设计改进的机械。现代科学技术的高速发展一方面促进了机械这门古老学科的发展，另一方面也对机械的结构以及性能提出了更为严苛的要求。与此同时，人们注意到，自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样拥有神奇特性和功能的生物，它们具有对自然界及其规律高度的适应性。于是，人们开始模仿生物的形态、结构等来设计效率更高并具有生物特征的机械。1960年美国第一届仿生学会议上“仿生学”一词被提出，从此仿生学在机械方面应用就再未停止过，并融合发展成为仿生机械学。由于能设计出在结构、功能、材料等各方面更加合理的机械系统，仿生机械学越来越受到重视。2.发展状况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。而从功能上来分类，仿生机械整体上可以分为仿生抓取机械、仿生移动机械以及仿生承力机械，无论是何种仿生机械抑或其研究领域，最终都可以分类归入这3大功能性仿生机械。仿生机械学具体主要包括以下几个方面的发展：仿生抓取机械：工业机器人用机械手，科研智能机器人用机械手，医疗用机械手，军事用机械手，家庭用机械手。仿生移动机械：仿生轮式移动机构，仿生足式移动机构，仿生履带式移动机构，仿生蠕动式移动机构，游动式移动机构，飞行式移动机构。仿生承力机械：随着科技的发展和提高，人们在仿生领域内的研究，也逐渐从机械模仿阶段上升到理性分析阶段，如对蜂窝结构的分析研究并将成果运用于军事、建筑领域；还有利用马蹄的结构而仿生得到的抗冲击、承力机构。3.具体的实例医疗用机械手：传统医学中普遍将危及生命的内外科病症作为治疗的重点，但是却对千千万万患有无法治疗的功能性障碍的残疾人束手无策。对于这一部分人，起先人们只能通过疗养、训练等方法开发、恢复其原有功能，后来，随着控制论的发展，人们开始了用机械装置代替、补偿人的功能性缺失。根据对功能障碍代偿的目的的不同，把代偿器械分为了两大类：一类是直接安装于人体上进行代偿的器械，如假肢等；另一类则是设于体外，并且构成独立系统的、起间接代偿功能的器械，如英国著名物理学家霍金使用的便是这一种器械。与此同时，可以看到的是，有一些特定的手术程序，如主刀医生选取刀具等，甚至一些特定的手术过程，都要求医生长时间的或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作。与此对应，在未来，仿人机械手完全有可能在医生的监控或操作下按照原定程序，高质量地完成手术。仿生履带式移动机构:作为最具代表性的履带式移动机构，坦克在设计之初并没有刻意运用仿生学的思想。但为了满足现代人类在更多、更复杂的环境下进行探测、采样的需求，新型的履带移动机构在沿用传统履带机构的同时，加入了更多的仿生元素，诸如仿生结构等。例如仿生多履带机器人，其运动系统在传统双履带的基础上，装备了两对鳍状肢，使其具有良好的机动性能，在越障、跨沟、攀爬等方面具有明显优势。四、仿生学的展望尽管人类已经越来越重视仿生与仿生机械这一领域的研究，但是我们不得不正视在目前仿生过程中仍旧存在的一些问题。首先是技术能力的局限性。亿万年的进化使许多生物能够使用很精细的结构实现出色的功能，在现在及未来的很长一段时间内，人们缺少必要的技术手段来对生物体进行更细致、更深入、更系统的研究，无法破译其中的机理，难以进行有效的仿生。其次，由于仿生机械学是一门由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科，其专业跨度之大增加了研究这门学科的难度，这又涉及到多领域、多学科知识的综合运用和协调。最后就是仿生研究的方向性问题。仿生研究不能满足于仅仅了解生物体的奥秘并加以人工再现的程度，而应该是在了解生物体巧妙结构、功能的基础上生产出拥有甚至超越生物体功能的实用系统或装置。总之，仿生机械是为了更好的为人类社会服务，而不是单纯地重现自然界某一生物的某种功能。虽然仿生机械领域依然还有一些问题需要解决，但是我们必须看到，随着社会的发展，各学科间越来越注重跨学科交流和互动，而加强学科之间的交流必然会促进仿生机械学的发展。此外，把生物系统中值得借鉴的优越的生物结构和物理学的特性相结合，人类很有可能可以得到一些在某些特定环境中性能优于自然界生物的仿生机械。尽管在仿生研究中，一些发达国家走在了前面，他们的研究成果及方法固然值得国内学习，但是仿生研究就是向生物界学习，人类利用大自然的方法不是唯一的，每个人、每个团体都应该确定最适合自己的利用方法，“原始创新”才能具有优势，才能让我们从“捷径”上赶上甚至超越发达国家。仿生学是一门方兴未艾的科学技术，尽管目前仿生学在工程机械行业中的研究和运用仅仅迈出了第一步，但可以料想今后将会是生物技术高速发展的时期，随着人类其他基础学科的发展，必然会或直接或间接地带动仿生机械学的发展，仿生机械设计也会拥有更广阔的前景。参考文献：汪久根，鄢建辉.仿生机械结构设计[J].润滑与密封,2003,2.林良明.仿生机械学[M],上海交通大学出版社.1989,2.马利峨等.腿型仿生跳跃机器人运动机理的研究综述[J].2