第八章仿生原理与创新设计

1第八章仿生原理与创新设计2第一章

创新概论第二章创新思维与创造原理第三章原理方案的创新设计第四章机构的创新设计第五章机械结构的创新设计第六章反求工程及创新设计第七章TRIZ理论与创新设计第八章仿生原理与创新设计第九章机械创新设计实例第八章仿生原理与创新设计

仿生与创新密切相关。通过研究自然界生物的结构特性、运动特性与力学特性，设计出模仿生物特性的新材料或新装置，是创新设计的重要内容，其创新成果也非常丰硕。第一节仿生学与仿生机械学简述仿生学(Bionics)是研究生物系统的结构和性质，并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学。仿生学是生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等学科的交叉学科，是模仿生物的结构和功能的基本原理，将其模式化，再运用于新技术设备的设计与制造，使人造技术系统具有类似生物系统特征的科学。3仿生学与机械学相互交叉、渗透，形成了仿生机械学。仿生机械学主要是从机械学的角度出发，研究生物体的结构、运动与力学特性，然后设计出类生物体的机械装置的学科。当前，仿生机械学的主要研究内容有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的机械结构、运动学与动力学设计与控制等问题。4一、仿生学简介仿生学研究方法的突出特点就是广泛运用类比、模拟和模型方法，理解生物系统的工作原理，中心目的是实现特定功能。仿生学研究中存在三个相关的方面，即生物原型、数学模型和硬件模型。(1)机械仿生

研究动物体的运动机理，模仿动物的地面走和跑、地下的行进、墙面上的行进、空中的飞、水中的游等运动，运用机械设计方法研制各种运动装置。(2)力学仿生研究并模仿生物体总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，模仿贝壳建造的大跨度薄膜建筑、模仿股骨结构建造的立柱、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，可减少航行湍流，提高航速。

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(3)分子仿生模仿动物的脑和神经系统的高级中枢的智能活动、生物体中的信息处理过程、感觉器官、细胞之间的通信、动物之间的通信等，研制人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高级灵敏小型气体分析仪等。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。(4)化学仿生模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等。例如，利用研究生物中的酶的催化作用、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，研制了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用极少的量，便可诱杀一种雄蛾虫。6

(5)信息与控制仿生模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等。例如，研究蝙蝠和海豚的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、电磁导航和重力导航，可为无人驾驶的机械装置在运动过程中指明方向。7二、仿生机械学简介

随着机械仿生在仿生学中的快速发展，逐渐形成了一个专门研究仿生机械的学科，成为仿生机械学。它是20世纪60年代末期由生物力学、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。通过研究、模拟生物系统的信息处理、运动机能以及系统控制，并通过机械工程方法论将其实用化，从而应用于医学、国防、电子、工业等相关领域，可产生巨大的经济效益。仿生机械(bio-simulationmachinery)，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。仿生机械学研究的领域主要有生物力学、控制体和机器人。8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。仿生机器人是仿生机械学中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等等。9猎豹机器人由美国波士顿动力公司开发，这款机器人高2英尺，长3英尺，装配着一系列高科技装备，其中包括：激光陀螺仪、照相机和随载计算机。这款四腿机械猎豹机器人具有灵活的脊椎和铰接式头部，能够实现冲刺、急转弯，并能突然急刹停止。它的奔跑速度能超过人类以及终结者类型的机器人，达29mph。最终这款机器人将服役于美国军队。

猎豹机器人10猎豹机器人11我国对仿生机器人的研究始于20世纪90年代，在仿生机器人方面也取得了很多成果，而且有些仿生机器人在某些方面达到了国外先进水平。北京理工大学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表演等功能；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1.23m，采用GPS导航，最高时速可达1.5/m，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2001年研制的仿人多灵巧手具有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。12三、仿生机械学中的注意事项仿生机械是建立在对模仿生物体的解剖基础上，了解其具体结构，用高速影像系统记录与分析其运动情况，然后运用机械学的设计与分析方法，完成仿生机械的设计过程，是多学科知识的交叉与运用。

生物的结构与运动性，只是人们开展仿生创新活动的启示，不能采取照搬式的机械仿生。

注重功能目标，力求结构简单。

仿生结果具有多值性，要选择结构简单、工作可靠、成本低廉、使用寿命长、制造维护方便的仿生机构方案。

仿生设计的过程也是创新的过程，要注意形象思维与抽象思维的结合，注意打破思维定势并运用发散思维解决问题的能力。13第二节仿生机械手

人手臂示意图仿生机械手不仅是执行命令的机构，还应该具有识别的功能，即通常所说的“触觉”。仿生机械手一般由手掌和手指组成。在手掌和手指上装有多种传感器。对物体的软、硬、冷、热等的感觉靠传感器识别，并将所获得的信息反馈到计算机里，以调节动作。14一、仿生机械手的机构组成

1.仿生机械手机构的运动副及自由度仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干构件组成。在仿生机械手中，由于各运动副中的运动变量都要借助于各种驱动器来实现，而无论是转动的或移动的驱动器均为一个自由度，所以在仿生机械手中常用转动副和移动副，个别运动副有时也可采用球面副。从仿生的观点出发，机械手、机器人较多地采用了空间开式运动链的机构。肩关节人体上肢骨骼机构图S手掌桡骨尺骨肱骨RSGS

SRS

R15

2.仿生机械手机构自由度空间机构自由度计算公式人的手臂可以认为是一种由许多构件组成的开式运动链。人的手臂机构中，n19，pI0，pII1，pIII2，pIV6，pV11

F619(213246511)27手指部分的自由度为

F615(45510)20肩关节人体上肢骨骼机构图S手掌桡骨尺骨肱骨RSGS

SRS

R16二、仿生机械手实例瑞士洛桑联邦高等理工学院推出的世界上首个带触觉的机械手。这款仿生手臂通过电极与人体神经相连接，使大脑获得来自手的触感。在通过一段时间的训练后，人们还可以控制这个机械手的把握力度，实现与真实手臂相近的功能。17二、仿生机械手实例

这款仿生机械手比它的上一代产品更具流线型，外观也更逼真自然，有两种尺寸可选，还配有蓝牙功能，方便医师及用户进行设置。产品名称Pulse源于其采用的一项“脉冲技术”，该技术可显著提高机械手的抓握力，使其能够提起重达90公斤的物体，这个重量是腕关节孱弱的现代人不敢想象的。18二、仿生机械手实例

英国shadow机器人公司的灵巧机械手，这可能是目前世界上最灵巧的机械手。这种仿生手的大拇指和其它几个手指可以象人的手指一样转动和抓握，可通过患者的思维和肌肉来控制。这一技术已经在无数人身上试验过，包括在伊拉克战争中失去手臂的美国士兵。它是第一款投放市场的真正拥有可弯曲手指(就像你自己的手一样)的仿生假手。19为实现骨骼－肌肉的部分功能而研制的致动装置称为人工肌肉致动器。为更好地模拟生物体的运动功能或在机器人上的应用，已研制出了多种人工肌肉。人工肌肉构造图20

气动人工肌肉是一种体积小巧、柔软、重量轻、工作简单、容易控制的仿生学产品，它由外部提供的压缩空气驱动，作推拉动作，其过程就像人体的肌肉运动。它可以提供很大的力量，而重量却比较小，最小的气动人工肌肉重量只有10g。气动人工肌肉会在达到推拉极限时自动制动，不会突破预定的范围。多个气动人工肌肉可以按任意方向、位置组合，不需要整齐的排列。21仿生机械手22仿生机械手23第三节步行与仿生机构的设计据调查，地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式车辆到达，而很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。

启示有足运动具有其他地面运动方式所不具备的独特优越性能。一、有足动物腿部结构分析有足运动具有较好的机动性，其立足点是离散的，对不平地面有较强的适应能力，可以在可能到达的地面上最优地选择支撑点，有足运动方式可以通过松软地面(如沼泽、沙漠等)以及跨越较大的障碍(如沟、坎和台阶等)。其次，有足运动可以主动隔振，即允许机身运动轨迹与足运动轨迹解耦。尽管路面高低不平，机身运动仍可以做到相当平稳。第三，有足运动在不平地面和松软地面上的运动速度较高，而能耗较少。24落地相抬腿相足端轨迹φ1φ2人的步行状态φ1φ2鸟类的步行状态在研究有足动物时，观察与分析腿的结构与步态非常重要。如人的膝关节运动时，小腿相对大腿是向后弯曲的；而鸟类的腿部则与人类相反，小腿相对大腿是向前弯曲的。25

四足动物的前腿运动小腿相对大腿是向后弯曲的，而后腿则是小腿相对大腿向前弯曲的。四足动物在行走时一般三足着地，跑动时则三足着地、二足着地和单足着地交替进行，处于瞬时的平衡状态。四足动物的腿部结构示意图26两足动物和四足动物的腿部结构大多采用简单的开链结构，多足动物的腿部结构可以采用开链结构，也可以采用闭链结构。开链机构的多足动物的仿生腿27

二、拟人型步行机器人拟人型步行机器人具有类似于人类的基本外貌特征和步行运动功能，其灵活性高，可在一定环境中自主运动，并与人进行一定程度的交流，更适合协同人类的生活和工作，与其他方式的机器人相比，拟人型机器人在机器人研究中占有特殊地位。

1.拟人型步行机器人的仿生机构拟人型机器人是一种空间开链机构，实现拟人行走使得这个结构变得更加复杂，需要各个关节之间的配合和协调。28

从仿生学角度来看，关节转矩最小条件的两足步行结构的自由度配置如下表所示。

部位考虑因素自由度数在不平的表面上站立脚板在不规则表面着地方便上下台阶改变行走方向髋关节踝关节髋关节踝关节膝关节21121两足步行结构的自由度配置

从功能上考虑，一个比较完善的腿部自由度配置是每条腿上应该具备7个自由度。

29xyz拟人机器人腿部的理想自由度从国内外研究的较为成熟的拟人型步行机器人来看，几乎所有的拟人型步行机器人腿部的自由度都选择了6自由度的方式，其分配方式为髋部3个自由度，膝关节1个自由度，踝关节2个自由度。由于踝关节缺少了1个自由度，当机器人行走中进行转弯时，只能依靠大腿与上身连接处的旋转来实现。30

2.拟人型仿生步行机器人实例本田技研公司研制的步行机器人样机P3，具有与人类相同的体型，能够行走并上下楼梯。本田公司开发的这一机器人首次实现了一向被认为是难题的双足稳定行走。步行机器人样机P331

2.拟人型仿生步行机器人实例

ASIMO(AdvancedStepInnovativeMobility)是本田公司开发的目前世界上最先进的、具有人一样的极高移动能力和高智能的类人型机器人。ASIMO可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、上下台阶、弯腰等各项“复杂”动作；可以随着音乐翩翩起舞，并能以每小时9公里的速度奔跑，ASIMO还能与人类互动协作进行握手、猜拳等动作。步行机器人样机ASIMO32ASIMO33“先行者”人形机器人

2.拟人型仿生步行机器人实例

2000年11月29日，国防科技大学经过十年攻关，成功研制出我国第一台拟人型机器人－“先行者”。“先行者”身高1.4米，体重20公斤，有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动态步行。这台类人型机器人实现了多项关键性技术的突破：从只能平地静态步行，到快速自如的动态行走；从只能在已知环境中行走，到可在小偏差、不确定的环境中行走；行走频率也由每6秒1步，提高到每秒2步。34拟人型机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。拟人型机器人是当代科技的研究热点之一。拟人型机器人不仅是一个国家高科技综合水平的重要标志，也在人类生产、生活中有着广泛的用途。35Handle(足＋轮式机器人)36

难点一

柔性控制

Handle的足部关节不论是在面临突然出现的斜坡还是承受落地的冲击时都表现出了很好的柔性，这对系统稳定性非常关键。如果关节使用简单的位置或速度控制，机器人在高速遇到未知的接触面时会瞬时产生巨大的冲击力，不仅难以控制，甚至容易损坏机器人本体。

难点二

大扰度下的非线性系统控制

为了承受如此大的外部扰动，用传统的简单线性倒立摆建模是显然不够的，机器人需要动用全身所有的关节，所有的运动资源来维持平衡。比如我们可以注意到Handle转弯时并不是简单地让轮子差速转动，而是像溜旱冰一样加入了身体的自然侧倾。再比如跳上桌子瞬时的手臂摆动。这样的一个机器人的全身动力学模型是高度非线性的，其实时平衡控制解算本身就是一个挑战，更不要说需要考虑在大量扰动/不确定性存在时的稳定性了。37

难点三

混合控制

只用一个连续模型是没法做”跳跃“这种动作的。机器人同时拥有连续(关节角度、速度)和离散(与地面的接触面位置、数目)的状态，这属于混合控制“HybridControl”的研究范畴。甚至视频中“双手举起100磅重物”这个任务，也需要把重物作为模型的一部分来做控制。

HybridControl这个学科本身就还不是很成熟(相对于其他多数控制理论而言)，对于Handle这种非线性混合系统，学术界的成果很多都还停留在“证明一个稳定的控制器是否存在”这个层面，对于“给定问题如何设计一个控制器”，还并不是很完善。

难点四

硬件本身

官方介绍它身高1.98米，纵跳1.2m。Handle的轮子可以以14km/h的速度前进。整个机器人由电池供能，驱动电机和液压泵。无需外接设备，一次充电续航24km。38波士顿动力公司最新机器人39三、多足步行仿生机器人

1.多足仿生步行机器人机构多足仿生一般是指四足、六足、八足的仿生步行机器人机构，常用的是六足仿生步行机器人。四足步行机器人在行走时，一般要保证三足着地，且其重心必须在三足着地的三角形平面内部才能使机体稳定，故行走速度较慢。多足步行仿生是指模仿具有四足以上的动物运动情况的设计问题。多足仿生步行机器人机构设计是系统设计的基础。在进行多足步行机器人机构设计之前，对生物原型的观察与测量是设计的基础环节和必要环节。40根据对步行机器人足数与性能定性评价，同时考虑到机械结构简单性和控制系统简单性，通过对蚂蚁、蟑螂等昆虫的观察分析，发现昆虫具有出色的行走能力，因此六足步行机器人得到广泛应用，以保证高速稳定行走的能力和较大的负载能力。步行机器人腿的配置采用正向对称分布。

多足步行机器人模型四足仿生步行机器人六足仿蟹步行机器人41六足步行机器人常见的步行方式是三角步态。三角步态中，六足机器人身体一侧的前足、后足与另一侧的中足共同组成支撑相或摆动相，处于同相三条腿的动作完全一致，即三条腿支撑，三条腿抬腿换步。抬起的每个腿从躯体上看是开链结构，而同时着地的三条腿或六条腿与躯体构成并联多闭链多自由度机构。六足步行机器人的行走方式，从机构学角度看就是3分支并联机构、6分支并联机构及串联开链机构之间不断变化的复合机构。42

2.多足步行仿生机器人实例自20世纪80年代麻省理工学院研制出第一批可以像动物跑和跳的机器人开始，各国都积极进行多足仿生机器人的研究，模仿对象有蜘蛛、蟋蟀、蟹、蟑螂、蚂蚁等。目前，多足仿生步行机器人已出现于多个领域，特别是在军事侦察领域得到广泛应用。六足步行机器人43六足步行机器人44哈尔滨工程大学的仿生机器蟹45蜘蛛机器人46蜘蛛机器人47巨型六足机器人48蟑螂机器人49四足机器人LittleDog50四足机器人51猿猴机器人52沙地六足机器人53机器狗协同合作54第四节爬行与仿生机构的设计仿生爬行机器人与传统的轮式驱动的机器人不同，采用类似生物的爬行机构进行运动。这种运动方式使得机器人可以具有更好的与接触面的附着能力和越障能力，在军事侦察及民用高层建筑外墙壁清洁等领域都具有非常广阔的应用前景。由于这类爬行机器人在机构、驱动和控制方面的特殊要求，使得实际制作出的仿生爬行机器人很难达到预先的设计效果，目前爬机器人所具有的一系列潜在的优越性能还没有完全得到实际体现。一、仿生爬行机器人机构爬行机构的特点是多自由度、多关节的协同动作。由于关节自由度多、动力学模型复杂，实现稳定的爬行运动比较困难，所以爬行仿生机构在工程中的应用很少。55在长期的进化和生存竞争中，许多动物，如壁虎、蜘蛛、蛇等，具有了优异的在光滑或粗糙的各种表面上自如运动的能力，仿生爬行机器人的研究有广阔的应用前景。

(一)爬壁机器人爬壁机器人必须具有壁面吸附功能和移动功能。目前爬壁机器人的吸附方式主要有三种：真空吸附、磁吸附和推力吸附，近年来又出现了胶吸附、仿壁虎足的干吸附、仿蜗牛的湿吸附、类攀岩抓持和毛刺抓持等方式。移动功能则大多以轮式、履带式和足式三种机构来实现。

1.足－掌机构爬壁机器人对腿足机构的要求：腿机构具有足够的刚性和承载能力。腿机构具有足够大的工作空间。腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。

56在腿足机构的端点连接吸掌以后，对掌机构的要求主要有：掌的姿态可以调节控制，以便在地壁过渡行走时适应壁面法线方向。调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器人机体上。爬壁机器人在壁面上移动时，处于支撑相的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。

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2.吸附机构吸附机构由吸盘和真空发生器组成，吸盘安装在吸盘支撑架上，吸盘支撑架和柔性驱动器之间通过连杆和弹簧相连，真空发生器的出气口连在吸盘上端的进气口。

爬壁机器人吸附机构58随着机器人运动，当一组吸盘完全接触工作表面达到吸附状态时，对应的电磁阀打开，与之相连的真空发生器工作产生真空，吸盘吸附在工作表面上；反之，随着机器人前进，当一组吸盘即将要离开平面时，对应的电磁阀关闭，则吸盘的吸附力逐渐降到零，而可以脱离工作表面。在设计中，任何时刻都至少保证有3个吸盘同时吸附在工作表面上，以产生足够的吸附力，防止机器人从墙壁上滑下或倾翻。爬壁机器人吸附机构59机器人行动机构由移动副和转动副组成。机器人的攀爬运动由移动副来完成，当其处于平衡位置时，机器人可向前或向后各移动50mm。当一组吸盘吸附时，电机驱动齿条使另一组吸盘前进，到达预定位置时，两组吸盘交换吸附，继续完成下一步动作。

爬壁机器人吸附机构60机器人在墙上或一定坡度的坡面上爬行时，吸附在工作平面上的吸盘连杆相当于一柔性悬臂梁，由于受重力作用会向下倾斜。这样，当下一吸盘组切入吸附状态时，吸盘连杆在工作面法线方向，将不能保证这组吸盘与已经吸附的吸盘组相互平行的姿态。为了保证吸盘组在垂直于工作面进入吸附状态，并能够维持垂直(近似垂直)姿态，直到吸盘组脱离，需设计吸盘组导向装置。

爬壁机器人吸附机构61机器人的转向运动由转动副完成，基本动作与前行时类似。先让机器人处于平衡状态，当一组吸盘吸附时，另一组吸盘做转向动作，两组吸盘交替。待完成预期的转向角度后，机器人回到平衡位置，等待下一步动作指令。为了越障，在吸盘的支撑架上设计了由丝杆和齿轮组成的升降机构。工作时，丝杆能形成自锁，保证了机器人的稳定性。

爬壁机器人吸附机构62爬壁机器人63爬壁机器人64爬壁机器人65爬壁机器人66

(二)仿生蛇形机器人机器蛇具有结构合理、控制灵活、性能可靠、可扩展性强等优点，在许多领域有着广泛的应用前景，如在有辐射、有粉尘、有毒环境下及战场上执行侦察任务；在地震、塌方及火灾后的废墟中寻找伤员；在狭小和危险环境中探测和疏通管道。传统机器人的运动方式无外乎轮式、履带式和足式三种，而蛇形机器人是一种新型的仿生机器人，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个突破。因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。

67劳斯莱斯和通用电气公司的工程师们正在开发的一种专门用于发现并修复飞机引擎故障的蛇形机器人。这种机器蛇将在2014年7月问世，直径只有大约半英寸。它们将被放入到引擎中，由一名技术员进行控制，技术员将根据它们发回的图片引导它们进入到引擎内部，整个过程有点像远距离外科手术。

修复飞机引擎故障的蛇形机器人68国防科技大学研制成功的第一台蛇形机器人，长1.2m，直径0.06m，重1.8kg，能像生物蛇一样扭动身躯，在地上或草丛中蜿蜒运动，可前进、后退、拐弯和加速，最大运动速度可达20m/min。头部是机器蛇的控制中心，安装有视频监视器，在其运动过程中可将前方景象传输到后方电脑中，科研人员可向机器蛇发出各种遥控指令。当这条机器蛇披上“蛇皮”外衣后，还能像真蛇一样在水中游泳。国防科技大学的蛇形机器人69爬行仿生机器人二、爬行仿生机器人实例

70爬行仿生机器人二、爬行仿生机器人实例

71蛇形机器人72蛇形机器人73水陆两用蛇形机器人74蛇形机器人－侦察搜索好帮手75蛇形机器人76蠕虫机器人77第五节飞行与仿生机构的设计昆虫与鸟相比，具有更大的机动灵活性。对昆虫生理结构和飞行机理的研究，将仿制出具有更大飞行灵活性和自由度的新型飞行器－仿生飞行机器人。最近几年，在昆虫空气动力学和机械电子技术快速发展的基础上，各国纷纷开始研究拍翅飞行的仿生飞行机器人，仿苍蝇和蚊子的微型机器人已经问世，使得仿生飞行机器人成为机器人研究活跃的前沿领域。一、仿生飞行机器人的翅膀昆虫是整个动物界最早获得飞行能力的动物。昆虫飞行的能力和飞行技巧的多样性，主要来源于它们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。

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(一)以静电致动方式的仿生扑翼

1.扑翼结构通过肌肉的收缩与伸长使得胸腔发生变形，从而带动两侧的翅膀上下扑动，其中弹性胸腔机构的变形对产生无摩擦的高速扑翼运动起着重要作用。

支点支点伸长翅膀上拍翅膀下拍伸长收缩收缩昆虫胸腔的横截面79大多数昆虫的扑翼运动由神经所产生的脉冲信号来控制，而一些小型昆虫如苍蝇、蜜蜂等，扑翼频率要远高于神经的脉冲频率，这时候扑翼频率主要是由肌肉、弹性关节以及胸腔所组成的运动机构的自然频率决定。对于尺寸在毫米级的微扑翼飞行器，其扑翼机构可以采用静电致动、压电驱动以及电磁驱动等方式。随着尺寸的微小化，静电换能显示出其优越性。静电驱动工作原理简单、易实现、功耗小、易集成化，随着半导体微细加工技术的发展，为静电致动器的研究提供了可能的技术背景，使静电致动在微型致动器的研究开发中占据了突出位置。802.结构设计整个驱动机构的形式仿照昆虫的胸腔式结构。系统主体由上下平行的两块极板组成，一块固定在基体上，另一块可移动板与两边的连杆相连接，并通过连杆带动两边的翅膀上下扑动。整个机构没有轴承和转轴之类的运动部件，各支点和连接处(A、B、C等处)均采用柔性铰链连接。当在上下极板间加上交变电压时，机翼就会在交变电场的作用下上下扑动。

AC两自由度胸腔式扑翼驱动机构简图B81

令激励电压的频率等于驱动机构的自然频率，此时驱动机构会有更大的扑翼幅值。当给极板两边加以不同的电压时，两边的机翼就会产生不同的扑翼幅值，因而引起两边的升力及推力大小不同，使得整个飞行器转向。

AC两自由度胸腔式扑翼驱动机构简图B82平扇翻转

扑翼机构分析(二)以分解简化扑翼复杂运动方式的仿生扑翼

1.仿生扑翼机构仿生飞行机器人以模仿昆虫拍翅运动为主。昆虫的种类很多，扑翼形式复杂多样。在研究中，将昆虫复杂的扑翼运动分解为平扇与翻转两个基本动作。83平扇翻转

扑翼机构分析

平扇运动改变翅膀的扇翅角

(下扇的起始位置与翅膀当前位置的夹角)，翻转运动改变翅膀的翅攻角

(翅膀扇动方向与翼后缘指向翼前缘方向的夹角)，这两个动作的协调运动可以实现昆虫的自由飞行。以果蝇为例，它在悬停飞行时，

可以达到180，在平扇过程中翅保持匀速，并使

为45~50，可以获得较大升力。84

在上扇与下扇的转换过程中，翅膀迅速翻转以便转换扇翅方向后仍保持相同的翅攻角，在反扇后较快加速到平扇速度也有利于升力的产生。平扇翻转

扑翼机构分析85

由于翅膀处于高频振动状态，为了减小惯性力影响，同时为了最终应用扑翼式微型飞行器，运动件的质量应尽可能小，两个转动之间应存在尽量小的质量耦合，而且机构的复杂程度也受到限制。平扇翻转

扑翼机构分析862.仿生扑翼机构设计仿生扑翼机构的设计主要可以分为两个部分。

(1)并联的两组曲柄摇杆机构将曲柄输入的旋转运动转换为两个摇杆的摆动运动输出。这两组连杆机构的尺寸参数相同，只是曲柄O1A与曲柄O1A

存在一固定的相位差

，所以两个摇杆的摆动输出并不同步。电动机转动输入

摆动输出1AO1O1O2O2A

BB

摆动输出2并联曲柄摇杆机构87

角度差

在不同转角位置时会有不同的取值。如图所示，电动机旋转时，摇杆O2B

会先到达摇杆运动空间的极限位置，随后摇杆O2B才到达与其相对应的极限位置。在这一过程中，

会逐渐减小到零，然后又会反方向逐渐增大，利用这一特性，将两个摆动输出再传递到差动轮系。电动机转动输入

摆动输出1AO1O1O2O2A

BB

摆动输出2并联曲柄摇杆机构88摆动输出1O3O4行星轮差动轮系原理摆动输出2O3(2)根据图示差动轮系原理，当两个摆动输入的

不变时，行星轮随着行星架绕轴O3转动，自身不转动；当两个摆动输入的

变化或者反向运动时，行星轮会绕自身轴线O4转动。89摆动输出1O3O4行星轮差动轮系原理摆动输出2O3

将翅膀固定在行星轮上，当曲柄连续转动，两个摇杆摆动输出的

近似不变时，翅膀保持

不变而做平扇运动；当两个摇杆在极限位置处反向运动时，翅膀则完成反扇转换过程中的翻转运动。通过设计不同的扑翼机构参数，就可以实现不同的

及

的扑翼形式。90

二、飞行仿生机器人实例

飞行仿生机器人的飞行性能和物理特征与固定翼飞行模式和旋翼飞行模式相比较，扑翼飞行模式在低速条件下的气动效率最为突出，抗干扰能力也最强，是发展微小型飞行机器人最理想的飞行模式，但其复杂的空气动力学还不完全清楚。微小扑翼机构、高效储能装置和超轻材料等都是未来发展的重要方向。微型飞行器不同于普通飞机，它的雷诺数极小，表面积与体积之比很大，总质量严格受限。在结构特点、飞行力学、负载特性、能量供给和敏捷性等方面，飞行仿生机器人与蜻蜓、蜜蜂或蜂鸟有些相似，与传统的飞机有本质区别。91

二、飞行仿生机器人实例

飞行仿生机器人的技术问题由于微型飞行器的雷诺数极小，空气的黏性阻力相对比较大，并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础，但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构，而非机翼的流线型，需要充分研究这种非传统空气动力学和昆虫翅膀的运动方式，进行提炼和简化。扑翼飞行器要求外形小、质量轻、驱动元件效率高、能耗少。目前，微型飞行器可用的动力源有：内燃发动机、燃料电池、太阳能、电动机以及微型涡轮发动机等。从能量转换效率来看，微型内燃发动机的应用前景非常广泛，但是内燃发动机的热效率只有5%左右，而且还存在噪音大和可靠性方面的问题，还需要通过大量的研究以解决这个关键问题。92

二、飞行仿生机器人实例仿生翼必须轻而坚固，保证在高频的振动下不会断裂，能够提供足够的升力和推进力，具有很强的灵活性等，这就要求从材料和翼型等方面进行分析。目前已研究出在驱动结构设计中，使用压电陶瓷和化学肌肉等智能材料。在飞行控制和通信方面，目前比较有前景的控制方式是在微型飞行器的表面分布微气囊和微型智能自适应机构，通过微流动控制实现对微型飞行器的飞行控制。此外，飞行器必须具备灵敏的通信系统，来传递信息和控制飞行器。研制适合的GPS接收机和地面匹配系统是目前较为前沿的通信方式。随着电子和计算机的飞速发展，通信系统将更加完善和进步。93

美国空军拍翅微型飞行器(MAV)小组致力于开发微型军用飞行器，以应对复杂的城市作战环境。在美国俄亥俄州赖特·帕特森空军基地实验室，工作人员展示了外形像昆虫的微型飞行器。扑翼微型飞行器94

美国空军拍翅微型飞行器(MAV)小组致力于开发微型军用飞行器，以应对复杂的城市作战环境。在美国俄亥俄州赖特·帕特森空军基地实验室，工作人员展示了外形像昆虫的微型飞行器。扑翼微型飞行器95

南京航空航天大学的博士生研制的可自主控制和导航的“差动式扑翼仿鸟飞行器”。差动式扑翼仿鸟飞行器96机械蜻蜓97机械蜻蜓内部结构98SmartBird99SmartBird内部结构100苍蝇机器人101第六节游动与仿生机构的设计鱼类经过亿万年的自然选择与进化，形成了非凡的水中运动能力，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率，也可以在拉力游速或爆发游速下实现高机动性。目前已研制出的水下仿生机器人中，根据其所模仿水下生物运动方式，可分为仿鱼类的游动仿生机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人。一、游动仿生机器人机构原理在对鱼类推进机理的研究中发现，鱼类在其自身的神经信号控制下，可以指挥其体内的推进肌产生收缩动作，导致身体的波状摆动，从而实现其在水中的自由游动。102根据鱼类推进运动的特征，可以划分为两种基本推进模式：身体波动式和尾鳍摆动式。游动方向波动方向身体波动式推进模式103根据鱼类推进运动的特征，可以划分为两种基本推进模式：身体波动式和尾鳍摆动式。游动方向尾鳍形状尾鳍摆动式推进模式104在波动式推进中，鱼类游动时整个身体(或几乎整个身体)都参与了大振幅的波动。由于在整个身体长度上至少提供了一个完整的波长，所以使横向力相抵消，使横向的运动趋势降低到最小。波动式推进的推进效率主要与波的传播速度有关，波的传播速度越大，推进效率就越高。波动式推进主要适用于在狭缝中的穿行。游动方向波动方向身体波动式推进模式105尾鳍摆动式推进方式是效率最高的推进模式，海洋中游动速度最快的鱼类都采用尾鳍摆动式推进模式。在运动过程中尾鳍摆动，身体仅有小的摆动或波动，甚至保持很大的刚性。游动方向尾鳍形状尾鳍摆动式推进模式106二、游动仿生机器人实例

美国麻省理工学院的教授根据“射流推进理论”，1994年成功研制了世界上真正意义的游动仿生机器人－仿生金枪鱼(RoboTuna)和仿生梭鱼(RoboPike)。机器鱼Tuna机器鱼Pike107

RoboTuna模仿蓝鳍金枪鱼而制造，长约4英尺，由2843个零件组成，具有关节式铝合金脊柱、真空聚苯乙烯肋骨、网状泡沫组织，用聚氨基甲酸酯弹性纤维纱表皮包裹，装有多台2马力的无刷直流伺服电动机、轴承及电路等。机器鱼Tuna

RoboTuna在多处理器控制下，通过摆动躯体和尾巴，能像真鱼一样游动，速度可达7.2km/h(4节)，RoboTuna的摆动式尾巴有助于机器鱼的驱动，推进效率达91%。108

RoboPike由玻璃纤维制成，上面覆盖一层钢丝网，最外面是一层合成弹力纤维，尾部由弹簧状的锥形玻璃纤维线圈制成。它的硬件系统主要包括：头部、胸鳍、尾鳍、主体伺服系统、胸鳍伺服系统、尾部及尾鳍伺服系统以及电池等。

RoboPike采用一台伺服电动机为其提供动力，驱动各关节以实现躯体摆动。

RoboPike的研制成功，揭示了鱼类为什么比我们想象的游得要快的原因，因为鱼类看上去不具备使其游得那样快的肌肉力量，同时证明其具有良好的在静止状态下的转向和加速能力。机器鱼Pike109

2004年12月，北京航空航天大学机器人研究所和中国科学院自动化所合作，成功地研制出了“SPCII”仿生机器鱼。这条机器鱼主要由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机控制平台3部分组成。机器鱼同时装有卫星定位系统，如果启用该系统，机器鱼可以自行按设定航线行进。机器鱼的壳体仿照鲨鱼的外形，主要制造材料为玻璃钢和纤维板，体表是复合材料。鱼体长度1.23m，总重40kg，最大下潜深度5m，最高速度可达1.5m/s，能够在水下连续工作2~3小时。“SPCII”型仿生机器鱼110美国密歇根州立大学的科学家开发出的低能耗机器鱼，它几乎不需要使用能源，可以在水中永远滑动下去，同时还能收集水质的数据。这部机器鱼的滑动能力来自于新安装的抽水泵，这个抽水泵会在鱼身中吸入并排出水流，从而施展上升或下降的动作。另外，机器的电池组位于机身尾部，尾部会随着抽吸动作前后移动，让机器鱼可以在希望的路径上滑行。低能耗机器鱼111BIOSwimmer美国国土安全局的科学与技术部门的科研人员根据金枪鱼的构造制造了一只水下监控机器鱼BIOSwimmer。

BIOSwimmer的背部安装有一个小型电脑，它主要用于导航、通信以及传感器的处理工作。另外，在BIOSwimmer内部还安装了一个可转换传感器，有了这个装置，该机器鱼在水下执行任务的时候则可在此前设定好数值的基础上根据环境的变化而做出相应的变更。BIOSwimmer将用于一些大型UUV(UnmannedUnderseaVehicle)不能进入的区域执行勘测任务。112机器鱼113水陆两栖“蝾螈”机器人114五大未来仿生动物机器人1.水母机器人(BionicAquajelly)水母机器人由德国Festo公司所研制生产。它长有触角，体内充满了氦气，在空中飘浮时就好像水中浮动的水母一样。水母机器人的灵活性与便捷性体现了人工智能