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)HarbinInstituteofTechnology报告题目：浅析伤生学及伤生机械学Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse院系：机电工程学院班级：姓名：Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse学号：浅析仿生学及仿生机械学经过学习仿生机器人这门课，我对仿生学和仿生机械学有了很大的兴趣。众所周知，去年的全国科技创新大赛项目就是仿生机器人，我欣赏了参赛的仿生机器人视频，这加深了我对仿生的认识和理解。下面就是我结合所学知识与所查询的资料结合出来一些自己对仿生学及仿生机械学的理解。一仿生学及仿生机械学的定义1.仿生学我对仿生学的理解就是“模仿”二字，就是模仿大自然的各种生物或系统的特点，自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉，因为生物经过不断进化，为了更好的适应大自然，进化所形成的身体结构可以说是鬼斧天工的设计，我们可以通过仿生这一途径设计更优化的机械。仿生学已渐渐发展成一门独立的学科，具有这样几个特征：相似性、多不得用于商业用途仅供个人参考样性、跨学科、复杂性、智能性、综合性、创新性和最优化。仿生学是应用相似原理，通过抽象思维及综合的方法实现技术系统的创新设计。仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。仿生就是人类从生物上得到的启示，这是一个巨大的进步。在应用的仿生技术有很多我们熟悉的例子：蝙蝠与雷达、人工冷光、电鱼与伏特电池、水母的顺风耳、失重现象、蛋壳与薄壳建筑、斑马、昆虫仿生和电子蛙眼等等。2.仿生机械学仿生机械学是仿生学的一个重要分支，这是以制造机械为放声目的，若是以制造电子为目的，则为仿生电子学。仿生机械学在我的理解下：它可以更有效率适应环境，能够实现能量更高的利用率。它有别于传统机械，它更加精密和智能，不仅能够表现生物般的灵动性，而且能够实现更大范围的应用性。仿生机械学不仅适用于工程，更在医学和生物学有很大促进作用。二研究方向仿生学的研究范围仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与不得用于商业用途仅供个人参考控制仿生、电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等方面。仿生机械学的研究方向（1）生物材料力学和机械力学以骨或软组织（肌肉、皮肤等）作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究，对骨和肌肉的相互作用等进行分析。另外，生物的形态研究也是一大热门。因为生物的形态经过亿万年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。（2）生物流体力学主要涉及生物的循环系统，关于血液动力学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的学科。（3）生物运动学生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。虽然各种生物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要的基础研究，但在仿生机械学中，目前特别重视人体上肢运动及步行姿态的测定与分析，因为人体上肢运动机能非常复杂，而下肢运动分析对动力学研究十分典型。这对康复工程的研究也有很大的帮助。（4）生物运动能量学

仅供个人参考生物的形态是最优的，同样，节约能量消耗量也是生物的基本原理。从运动能量消耗最优性的特点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析、研究，特别是对有关能量的传递与变换的研究，是很有意义的。（5）康复工程学包括如动力假肢、电动轮椅、病残者用环境控制系统等。它涉及许多学科和技术，比如对于动力假肢，只有在解决了材料、能源、控制方式、信号反馈与精密机械等各种问题之后才能完成，而且这些装置还要作为一种人一一机系统进行评价、试用，走向实用化的道路是非常艰难和曲折的。（6）机器人的工程学是把生物学的知识应用于工程领域的典型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生产、灾害现场等异常环境中帮助和代替人类进行作业。机器人不仅要有移动功能的人造手足，而且还要有感觉反馈功能及人工智能。目前研究热点为人造手、步行机械、三维物体的声音识别等。三国内外仿生机械学研究进展在仿生学定义中，我已经提及了许多应用仿生原理的创新机械。这里会在举一些国外研究成果的例子：新型海啸预警系统：德国莱布尼茨海洋科学研究所的科学家们研制出了一种新型调制解调器。它可将海底传感器发出的信号迅速传送至预警浮标，后者则会通过卫星将信号直接传输至监控中心。研制出这种调制解调器的德国科学家从海豚的叫声中得到启迪。康斯坦丁克布卡尔在柏林理工大学研究仿生学与海洋动物的声音传播，他发明的无线传输技术可从海底迅速且不受干扰地向海面传送数据。国外对新型仿生机器人的研究：美国四足步行机器人、英国蛇形机器人、日本宠物狗、美国凯斯西储蟋蟀型机器人。这里以英国蛇形机器人为例，它像真蛇一样有一条“脊椎骨”，其实这是一串模块化的“脊椎单元”，它们像拼插玩具一样紧紧地咬合在一起。每个“脊椎单元”上有3条独立的“肌肉”。这些“肌肉”由镍钛合金金属丝制成。镍钛合金具有“形状记忆”的特殊本领:当有电流通过时，它的晶体结构会收缩，断电后又能恢复到以前的形状。“机器蛇”通过内置的程序控制通过不同金属丝电流的开关和强弱，从而操纵每条“肌肉”活动的方向与力量，指挥“机器蛇”向预定目标前进。但“机器蛇”最了不起的本领还在于能够带伤坚持执行任务，在实验中，“机器蛇”表现出十分顽强的战斗精神，研究人员介绍说：“我们故意使它的一部分瘫痪，以检验它在战场上受伤后的表现。最初它瘫在地上一动不动，但不久后，它的‘大脑’就琢磨出应该如何运动，开始向既定目标前进了。尽管动作不像受伤前那么灵活，但能坚持到终点。”我国的仿生研究工作起步较晚，在前期落后于世界水平，但是在我们一代代科研人员的努力下，我们也取得了不错的进展：北航与中科院的仿生机器鱼、天津大学仿生无人直升机、沈阳水下自治机器人、哈工大拟人双足步行机器人等等，这些都说明了中国仿生机器人的研究水平达到了世界一流，相信经过更长时间发展，中国仿生机器人研究会取得更大的突破与成果。这里简略介绍一下工大的机器人为关节式结构，具有十二个自由度，可以完成包括前进、后退、侧行、转向和上下阶梯等动作。仅供个人参考四对本课的建议与看法对于仿生学这门学科来说，现在它的前景很好，而且未来人类许多创新开发都要依靠它。在这个背景下开展这门关于仿生、机器人技术的学科是十分必要的。我认为学校可以提高对其的重视度，提高学时。对于课堂效果来说，我感觉很满意能够欣赏到国内外的先进仿生机械视频。而且老师将像蛇形机器人、仿生机器鱼等仿生例子做了详尽并且生动的讲解。我希望老师能够在课堂上让我们接触更多先进的仿生案例，这样更有利于我们接下来的学习，扩宽我们的眼光。接下来我想对老师提出的建议是在课堂上增加更多的提问交流时间，这样可以更好的让我们了解仿生学和机器人技术。如果在课堂上展示实物作品，我相信这可以增进我们学生极大的兴趣，会更利于我们对这门课程的学习。仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.NurfurdenpersonlichenfurStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Pourl'etudeetla