2.3-机械仿生

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神奇的仿生工程
课程简介
课程主要内容
1. 绪论
2. 结构仿生
3. 能量仿生
4. 力学仿生
5. 信息与控制仿生
6. 仿生系统工程
1
神奇的仿生工程
1 仿生手
2 仿生多足机器人
3 仿生狗
4 仿生蛇
5 仿生鱼
2
神奇的仿生工程
仿生机械学概述
仿生机械学,它是模仿生物的形态、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的
一门科学。
脑
生物  机械
人工智慧
机器视觉
眼睛
人工声带
嘴巴
手
机器手臂
脚
机器脚
3
神奇的仿生工程
1 仿生手
2 仿生多足机器人
3 仿生狗
4 仿生蛇
5 仿生鱼
4
神奇的仿生工程
机械仿生手
三指机械手
5
神奇的仿生工程
三指机械手
四指机械手
6
神奇的仿生工程
Festo的气动仿生全
向机械臂
人机合一的机械臂
日美的机器人手
足都像机器.但德
国的仿生科技最
接近人的肌肉肌
体
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神奇的仿生工程
1 仿生手
2 仿生多足机器人
3 仿生狗
4 仿生蛇
5 仿生鱼
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神奇的仿生工程
仿生多足机器人
机械本体的研究关键—腿部结构






缩放型机构
缓冲型虚拟弹簧腿机构
四连杆机构
并联机构
平行杆机构
多关节串联机构
9
缓冲型弹簧腿
神奇的仿生工程
10
缩放型腿机构
神奇的仿生工程
11
两种弹跳模型
神奇的仿生工程
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神奇的仿生工程
四足机器人分类
缩放式
关节式
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哈工大机器人(缩放式)
神奇的仿生工程
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上交机器人(关节式)
神奇的仿生工程
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神奇的仿生工程
1 仿生手
2 仿生多足机器人
3 仿生狗
4 仿生蛇
5 仿生鱼
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仿生狗
神奇的仿生工程
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西北工大仿生狗
神奇的仿生工程
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神奇的仿生工程
BIGDOG
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神奇的仿生工程
Bigdog研发过程





Boston bigdog
单腿跳机器人
双足机器人
四足机器人
动画
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神奇的仿生工程
1 仿生手
2 仿生多足机器人
3 仿生狗
4 仿生蛇
5 仿生鱼
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神奇的仿生工程
机器蛇的发展现状
仿生蛇
蛇形机器人的发展简介
1972年,东京科技大学 第一台蛇形机器人
40cm/s
2000年,美国NASA 代表当今世界的先进水平
2001年,国防科技大学 我国首台蛇形机器人
美国多关节蛇形机器人
国防科大的蛇形机器人
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神奇的仿生工程
蛇形机器人的运动方式
机器蛇的主要运动方式是在不同的时刻,对不同关节运
动姿态进行有序的排列,由于受力关系的不同,产生各种各
样的运动方式。
可实现的运动方式:游动、蠕动
Tokyo Tech’s ACM-R5
Snake Robot 仿生蛇
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神奇的仿生工程
1 仿生手
2 仿生多足机器人
3 仿生狗
4 仿生蛇
5 仿生鱼
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神奇的仿生工程
仿生鱼
一. 仿生机器鱼概述
1.定义:根据仿生学原理设计模仿鱼类运动的
用于水中作业的机器人
2.应用领域:
环境监测
海底勘探、海洋救捞
管道监测
军用方面
海洋生物观察
娱乐方面
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神奇的仿生工程
仿生机器鱼特点
与传统螺旋桨水中推进器比较,仿生机器鱼有以下优点
推进效率高:可以达到80%以上,螺旋桨推进只有40%~50%
机动性好:转弯半径只有体长10%~30%
噪音低
对环境扰动小
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神奇的仿生工程
鱼类游动机理
P.Webb在1984年根据鱼类游动推进所使用身体部位的不同,
对鱼类的游动推进模式提出了详细的分类方案:
a.身体、尾鳍推进模式(BCF Model)
b.中间鳍、对鳍推进模式(MPF Model)
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神奇的仿生工程
1.鱼类游动机理
a.身体、尾鳍推进模式(BCF Model)
利用躯干部和尾部肌肉(大侧肌)的交替伸缩,使身体左右扭动屈曲前
进即通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力。
四种BCF模式
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神奇的仿生工程
1.鱼类游动机理
b.中间鳍、对鳍推进模式(MPF Model)
主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动产生推进力,一般为辅助推进模式,但对
于而鳐科模式(Rajiform) 、刺鲀科模式(Diodontiform)的鱼类MPF则为
主要的推进方式。
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神奇的仿生工程
2.仿生机器鱼推进机理
根据鱼类游动机理分不同,仿生机器鱼推进机理主要分
为:

BCF模式

MPF模式

其他模式:磁场引导方式等
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神奇的仿生工程
1.大中型仿生机器鱼
应用于海洋石油开采,海下勘查、救捞作业、管道敷设
和 检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等领域。
 按照致动器的类型可以分为:传统电
动、液压、气压驱动方式及离子电动
聚合物致动器、形状记忆合金致动器、
气动人工肌肉致动器、动物活体肌肉
致动器等类型;
 按其能源供给方式分为有揽和无揽两
种;
 按照其游动推动机理可以分为仿BCF
和仿MPF两种。
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神奇的仿生工程
2.微小型仿生机器鱼
微小型仿生机器鱼是指结构尺寸微小、器件精密、可进行
微细操作的机器鱼,主要用于医学和一些工业领域。
 按照其驱动方式主要分为:压电晶体式
(PZT)微小型机器鱼、永磁体式
(NdFeB)微小型机器鱼、离子交换聚合
体膜式(ICPF或 IPMC)微小型机器鱼、
介电弹性体式(ANTLA)微小型机器鱼、
形状记忆合金式(SMA)微小型机器鱼和
超磁致伸缩材料式(GMM)微小型机器
鱼等。
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神奇的仿生工程
国外研究现状
1.概况
 国外学者很早就致力于这方面的工作。其研究过程主要分为两个阶段:
20世纪90年代以前主要集中在鱼类游动机理的基础理论研究,90年代
以后开始研制仿生机器鱼整机系统。
 主要机构有:
 美国有MIT、佛罗里达大学、德州农工大学、宾夕法尼亚大学、波士顿
大学、加州理工学院、加利福尼亚大学、新墨西哥大学、伊利诺斯大
学、加州大学伯克利分校、SRC研究所、A&M公司、BIRG研究组等
 日本有东海大学、名古屋大学、东芝公司、三菱重工HI、运输省船舶
技术研究所NMRl、东京工业大学
 英国有Heriot—Watt大学、Essex大学
 比利时有Vrije大学,土耳其有伊斯坦布尔技术大学、韩国有浦项科技
大学,新加坡有南洋理工大学等。
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国外研究现状
神奇的仿生工程
2.国外几款典型机器鱼
1994,美国MIT,世界上第一条
仿生机器鱼Robotuna ,鱼长约
1.25m,宽约0.21m,速度2m/s。
1998年,DRAPER实验室
VCUUV,仿金枪鱼设计的,长
约2.4米,速度1.25米/秒
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神奇的仿生工程
2.国外几款典型机器鱼
2003 年,日本三菱公司,金色
鲤鱼,鱼长1 米、重17 千克,
游速达0.4 米/秒,用于观赏
Festo的仿生机器人
2001年,日本运输省船舶技术研
究所(NMRI),UPF-2001,鱼长
0.97m,最大速度0.97m/s
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国内研究现状
神奇的仿生工程
1.概况
 在仿生机器鱼研制方面,国内起步较晚。但随着国外仿生机器鱼研究的
兴起,以及我国高速发展的经济对远洋的迫切需求,越来越多的科研机构
开始从事这方面的研究工作。
 主要机构有:
北京航空航天大学、中国科学院自动化所、
中科院研究生院、中国科学技术大学、
哈尔滨工业大学、沈阳自动化所、
上海交通大学、哈尔滨工程大学等
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神奇的仿生工程
2.国内几款典型机器鱼
2004,北京航空航天大学,我国
第一条用于实际工作机器鱼,身
长1.23m.是大下潜深度为5m
北航机器人研究所,Robo-Manta,
在国内,首次将扑翼式推进机器
鱼引入到仿生机器鱼研究领域
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神奇的仿生工程
2.国内几款典型机器鱼
国防科技大学,尼罗河魔鬼
Amiiform,MPF模式游动,速
度可达1.5m/s
哈尔滨工程大学,微型仿生机
器鱼,科技部“十一五”“863”
项目
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神奇的仿生工程
讨论一
如果这种机器人真正进入人们的生活,
将会是怎么样呢?
随着机器人技术的进一步发展,未来的
女性化机器人能否代替成为人们现实生活中
的妻子呢?
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神奇的仿生工程
能够对儿童进行洗脑
教育的教师机器人
讨论二
这种机器人如果被用于军事和教育会有怎样的后果?
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神奇的仿生工程
讨论三
如果你遇到这样的机器人
你应该怎样做?
令人毛骨悚然的儿童机器人
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神奇的仿生工程
未来可以读懂人类思维的机
器人
讨论四
这种机器人可以应用在哪些领域?
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神奇的仿生工程
已在战场上测试的武装机器人
讨论五
如果这种机器人有了自己的智能?人类如何
与其抗衡?(建议观看施瓦辛格的《终结者》
系列)
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神奇的仿生工程
“空中水母”机器人
讨论五
能否思考出这种机器人应用了什么样的技术?
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思考题
神奇的仿生工程
1.对未来仿生机器人发展的展望。
2.未来仿生机器人是否会对人类构成威胁?
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