仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人課程報(bào)告

1、Harbin Institute of Technology仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)課程報(bào)告(1)報(bào)告題目： 仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)課程報(bào)告 院 系： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 仿生學(xué)仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是在上世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學(xué)。仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機(jī)器，創(chuàng)造新技術(shù)。從仿生學(xué)的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時(shí)間內(nèi)，它的研究成果已經(jīng)非?？捎^。仿生學(xué)的問(wèn)世開(kāi)辟了獨(dú)特的技術(shù)發(fā)展道路，也就是向生物界索取藍(lán)圖的道路，它大大開(kāi)闊了人們的眼界，顯示了極強(qiáng)的生命力。仿生學(xué)也被認(rèn)為是與控制論有密

2、切關(guān)系的一門學(xué)科，而控制論主要是將生命現(xiàn)象和機(jī)械原理加以比較，進(jìn)行研究和解釋的一門學(xué)科。仿生機(jī)械學(xué)仿生機(jī)械學(xué)是上世紀(jì)60年代初期出現(xiàn)的一門綜合性的新興邊緣學(xué)科，它是生命科學(xué)與工程技術(shù)科學(xué)相互滲透、相互結(jié)合而形成的。包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)的要求付之實(shí)用化。仿生學(xué)的誕生是建筑在生物科學(xué)的進(jìn)步、以及與電子學(xué)的相互滲透的基礎(chǔ)上。實(shí)際上它是一門涉及廣闊領(lǐng)域的綜合性的邊緣學(xué)科，若以電子學(xué)為中心來(lái)考慮，就構(gòu)成了仿生電子學(xué)，若以機(jī)械學(xué)為中心來(lái)考慮，則構(gòu)成了仿生機(jī)械學(xué)。 仿生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科，它既

3、把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，又把醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程技術(shù)。國(guó)內(nèi)外仿生機(jī)械學(xué)研究進(jìn)展1水下仿生機(jī)器人水下機(jī)器人由于其所處的特殊環(huán)境，在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上比陸地機(jī)器人難度大。在水下深度控制、深水壓力、線路絕緣處理及防漏、驅(qū)動(dòng)原理、周圍模糊環(huán)境的識(shí)別等諸多方面的設(shè)計(jì)均需考慮。以往的水下機(jī)器人采用的都是魚(yú)雷狀的外形，用渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有堅(jiān)硬的外殼以抵抗水壓。由于傳統(tǒng)的操縱與推進(jìn)裝置的體積大、重量大、效率低、噪音大和機(jī)動(dòng)性差等問(wèn)題一直限制了微小型無(wú)人水下探測(cè)器和自主式水下機(jī)器人的發(fā)展。魚(yú)類在水下的行進(jìn)速度很快，金槍魚(yú)速度可達(dá)105kmh，而人類最快的潛艇速度只有84kmh。所以魚(yú)的綜合能力是人類目前所使

4、用的傳統(tǒng)推進(jìn)和控制裝置所無(wú)法比擬的，魚(yú)類的推進(jìn)方式已成為人們研制新型高速、低噪音、機(jī)動(dòng)靈活的柔體潛水器模仿的對(duì)象。仿魚(yú)推進(jìn)器效率可達(dá)到70 一90 ，與水的相對(duì)速度比螺旋槳推進(jìn)器小得多，有效地解決了噪音問(wèn)題。美國(guó)麻省理工學(xué)院和日本都研制出了仿魚(yú)機(jī)器人。在國(guó)內(nèi)，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所已研制了機(jī)器魚(yú)樣機(jī)。就是北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研制的機(jī)器魚(yú)樣機(jī)。美國(guó)羅克威爾公司和Is機(jī)器人公司研制的掃雷機(jī)器蟹，得到了美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局及海軍研究局的資助。這種掃雷機(jī)器蟹可以隱藏在海浪下面，在水中行走，也可以通過(guò)振動(dòng)，將整個(gè)身子隱藏在泥沙中。掃雷機(jī)器蟹長(zhǎng)約560mm，重10.

5、4kg。它還裝備了多個(gè)狀態(tài)傳感器和集成的控制系統(tǒng)，并且每條腿都具有2個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，當(dāng)?shù)匦胃淖儠r(shí)，通過(guò)這些系統(tǒng)可迅速地調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式，使機(jī)器人能穩(wěn)定、迅速地到達(dá)目標(biāo)區(qū)域。當(dāng)遇到水雷時(shí)，就把它抓住，等待控制中心的命令。一旦收到信號(hào)，就會(huì)自己爆炸，同時(shí)引爆水雷。2空中仿生機(jī)器人空中機(jī)器人即具有自主導(dǎo)航能力，無(wú)人駕駛的飛行器。這類機(jī)器人活動(dòng)空間廣闊、運(yùn)動(dòng)速度快，居高臨下而不受地形限制。在軍事、森林火災(zāi)以及災(zāi)難搜救中，前景極好。其飛行原理分為：固定翼飛行、旋翼飛行和撲翼飛行。目前國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的微型飛行器側(cè)重于撲翼機(jī)的研究。它模仿鳥(niǎo)類或昆蟲(chóng)的撲翼飛行原理，將舉升、懸停和推進(jìn)功能集于一個(gè)撲翼系

6、統(tǒng)，可以用很小的能量做長(zhǎng)距離飛行，同時(shí)具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，適合于長(zhǎng)時(shí)間無(wú)能源補(bǔ)給及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們利用仿生學(xué)原理制造出了世界上第一只能飛翔的“機(jī)器蠅”。他們利用一種類似玻璃紙的原料聚酰亞胺，造出了只有長(zhǎng)10mm，寬3mm，厚0.005mm的仿生翅膀。它能夠每秒鐘扇動(dòng)150下，而且還讓機(jī)器蠅實(shí)現(xiàn)了綁在一根細(xì)線上的半自主飛行。其重量只有0.1g,身高不到30mm，在100m上空飛行，人們用肉眼幾乎發(fā)現(xiàn)不了它，而它卻可以拍出極為清晰的照片傳回來(lái)。美國(guó)五角大樓對(duì)有望成為“微型間諜”的機(jī)器蠅極為重視，設(shè)想機(jī)器蠅在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，可以進(jìn)行空中偵察，甚至可以帶上微型炸藥，襲擊

7、指定目標(biāo)。在未來(lái)的機(jī)器蠅身上，將安裝許多傳感器和微型攝像機(jī)，可以用來(lái)發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，在災(zāi)難中搜尋廢墟中的幸存者。3地面仿生機(jī)器人美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家都開(kāi)展了蛇形機(jī)器人的研究，并研制出許多樣機(jī)。日本東京大學(xué)的Hirose教授從仿生學(xué)的角度，在1972年研制了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人樣機(jī)。美國(guó)卡內(nèi)基一梅隆大學(xué)近日研究出一種可以攀爬管道的蛇形機(jī)器人，這種蛇形機(jī)器人大部分由輕質(zhì)的鋁或塑料組成，最大也只有成人手臂大小。機(jī)器人配有攝像機(jī)和電子傳感器，可以接受遙控指揮。蛇形機(jī)器人可以成功上下一根塑料管道，并可以跨越廢墟碎片間的巨大空隙以及在草叢中來(lái)去自由。讓蛇形機(jī)器人在坍塌廢墟中穿梭，能更快地找到幸存者

8、，為災(zāi)難救援工作帶來(lái)了技術(shù)突破。在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、國(guó)防科技大學(xué)等單位相繼研制出了蛇形機(jī)器人樣機(jī)。國(guó)防科技大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人樣機(jī) ,是條長(zhǎng)1200mm，直徑60mm，重1.8kg的機(jī)器蛇，能扭動(dòng)身軀，在地上或草叢中蜿蜒爬行，可前進(jìn)、后退，轉(zhuǎn)彎和加速，最大前進(jìn)速度可達(dá)20mmin，披上特制的“蛇皮”后還能像蛇一樣在水中游泳。機(jī)器蛇頭部安裝有視頻監(jiān)視器，可以將機(jī)器蛇運(yùn)動(dòng)前方的情況實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X中，科研人員則可根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱D像觀察運(yùn)動(dòng)前方的情景，不斷向機(jī)器蛇發(fā)出各種遙控指令。4仿人機(jī)器人自1983年以來(lái)，美國(guó)研制出一系列7自由度擬人單臂和雙臂一體機(jī)器人，并已用于空間站實(shí)

9、驗(yàn)。1986年美國(guó)猶他州大學(xué)工程設(shè)計(jì)中心研制成功了著名的UTAHMIT靈巧手，該手有4指，拇指2關(guān)節(jié)，其余3指各有3關(guān)節(jié)，手指關(guān)節(jié)繩索驅(qū)動(dòng)并設(shè)有張力傳感器。1990年由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成了靈巧手的軟硬件控制系統(tǒng)，并模擬人手的拿、夾、抓、握物體等多種動(dòng)作進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。1992年日本進(jìn)行多指仿人手臂真實(shí)作業(yè)的研究，系統(tǒng)由主從手臂及傳感控制系統(tǒng)組成，其靈巧手有4指，每指有3個(gè)關(guān)節(jié)，手具有14個(gè)自由度。隨著多指靈巧手研究的發(fā)展，具有靈巧手的仿人臂及其系統(tǒng)的研究愈來(lái)愈受到重視。國(guó)內(nèi)一些科研院所也進(jìn)行了仿人機(jī)器人的研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制了高靈活性的仿人手臂及擬人雙足步行機(jī)器人，其仿人手臂具有工作空

10、間大、關(guān)節(jié)無(wú)奇異姿態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，通過(guò)軟件控制可實(shí)現(xiàn)避障、回避關(guān)節(jié)極限和優(yōu)化動(dòng)力學(xué)性能等。雙足步行機(jī)器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有12個(gè)自由度，可以完成仿人步行的動(dòng)作。5生物機(jī)器人生物機(jī)器人即活體生物的人工控制，是生物學(xué)、信息學(xué)、測(cè)控技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)高度發(fā)展并互相結(jié)合的產(chǎn)物。1995年，日本東京大學(xué)的Shimoyama教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組研究蟑螂的控制技術(shù)，即把蟑螂頭上的探須和翅膀切除，插入電極和微處理器以及紅外傳感器，蟑螂的人工控制過(guò)遙控信號(hào)產(chǎn)生電刺激，使蟑螂向特定的方向前進(jìn)。2002年，美國(guó)紐約州立大學(xué)通過(guò)在老鼠體內(nèi)植入微控制器，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)老鼠的轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)、爬樹(shù)和跳躍等動(dòng)作的人工控制。國(guó)內(nèi)的南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所在研制仿壁虎機(jī)器人的同時(shí)也在研究壁虎的人工控制技術(shù)，把微電極植入壁虎體內(nèi)，通過(guò)電刺激模擬神經(jīng)，來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)。對(duì)這門課程的認(rèn)識(shí)與建議遙想當(dāng)年，自己在選中哈工大這所大學(xué)時(shí)，有很大的一部分就是沖著工大的機(jī)器人技術(shù)來(lái)的。想必每一個(gè)男孩，心里都有過(guò)機(jī)器人夢(mèng)。這次，學(xué)習(xí)了這門課，雖然自己的認(rèn)知還很淺薄，但是感覺(jué)離自己的夢(mèng)想又進(jìn)了一步。在這門課程中，增長(zhǎng)了許多知識(shí)。很喜歡姚老師的講課風(fēng)格