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  24 卷 第 2008 年 12 月 武 夷 科 学 WUYI SC IENCE JOURNAL Vol 24 . Dec. 2008 文章编号 : 1001 2 4276 2( 2008 ) 01 2 0157 2 05 关键词 : 仿生 机械 发展 仿生机械学发展综述 毕 ,徐 千 敏 (武汉大学 ,湖北 武汉 430072 ) 摘要 : 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 。目前仿生机 械设计已广泛应用于传感器 、 新材料等领域 ,取得了很大进展 。本文分别从抓取功能 、 移动功能 、 飞行功能 、 游 动功能及其它功能的角度 ,对仿生机械学的发展状况做出综述 。 中图分类号 : Q811. 2 文献标识码 : A 1 前言 现代社会 、 科技的高速发展在促进机械这门古老专业发展的同时 ,也对其自身受力结构 、 能量消耗或者运动的可靠性提出了更为严苛的要求 。另一方面 ,自然界在亿万年的演化过程 中孕育了各种各样的生物 ,每种生物都拥有神奇的特性与功能 ,因而能在复杂多变的环境中生 存下来 。 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的应 [1] 用就再未停止过 ,并融合发展成为仿生机械学 。 仿生机械学是模仿生物的形态 、 结构和控制原理 ,而设计制造功能更集中 、 效率更高并具 有生物特征的机械的学科 。由于能制造出在结构 、 、 、 、 功能 材料 控制 能耗等诸方面相对更加合 理的机械系统 ,仿生机械学正越来越受到重视 。本文将仿生机械按功能分为抓取 、 、 、 移动 飞行 游动及其它五类 ,分别介绍其发展现状及未来发展趋势 。 2 仿生抓取机械 目前仿生机械在抓取功能方面的研究集中于 仿人形机械手 , 主要因为人手 (含手臂 ) 共有 27 个自由度 ,不但能精确定位还能做出复杂精细的 [2] 动作 ,这些都是传统机械很难做到的 。它们可 分为工业机器人用机械手 、 科研智能机器人用机 械手和医疗用机械手 。 2. 1 工业机器人用机械手 20 世纪 50 年代末 , 美国在机械手和操作机 图 1 工业机械 收稿日期 : 2008 - 10 - 21 作者简介 : 毕千 ( 1987 - ) ,男 ,本科 , 研究方向 : 机械设计制造及其自动化 。 ?158? 武 夷 科 学 第 24 卷 的基础上 ,采用伺服机构和自动控制等技术 ,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置 , 并将其称为工业机器人 ; 自第一台正式工业机器人成功投入使用以来 ,各工业发达国家都开始 重视研制和应用工业机器人 。许多单调 、 频繁和重复的长时间作业 ,或是危险 、 恶劣环境下的 作业 ,均是由工业机器人 (手 )来完成的 ,例如冲压 、 压力铸造 、 热处理 、 焊接 、 涂装 、 塑料制品成 形、 机械加工和简单装配等工序 ,以及在原子能工业等部门中 ,搬运对人体有害物料 。在这方 [3] 面 ,日本一直处于领先地位 ,具有代表的如川崎重工的工业机器人 (手 ) 。 2. 2 科研智能机器人用机械手 人类对太空和海洋进行探索 、 研究和利用的要求越来越 迫切 。在海洋和太空的环境非常恶劣 , 需要利用机器人 替代人去完成大量的工作 , 能实现精确操作的仿生机械 手可以大大扩大机器人的工作任务范围和任务精度 。最 具代表性的当属月球车上的仿生机械手 , 不仅可以承担 [4] 探测 、 拍照等任务 ,还可以进行样本采集 、 分析等 。 2. 3 医疗用机械手 医疗机器人是一个新兴的 、 多学科交叉的研究领域 , 已经成为国际机器人领域的一个前沿研究热点 。很多外科手术需要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 。可以预见 ,在不久的未来 ,仿生机械手 可以在医生的监控或操作下 , 按照即定的方案 , 高精度 地、 高可靠地实施手术 ,并在规定的时限内完成 。仿生机 械手的发展意力可以为肢体残疾的病人带来福音 。仿生 机械手最早就是用于人的假肢 ,随着技术的发展 ,有可能 出现假肢可以模仿人手做绝大部分的操作 , 并且病人使 [5] 用方便 、 灵活 。 2. 4 其他领域的应用 图 3 仿人机械 除了以上几个领域的应用外 , 仿生机械手还可用于 化学实验 、 生物合成等高精度的任务中去 ; 还有一些如在安全领域 ,利用安装有灵巧手的机器 人从事排爆 、 扫雷等排险 、 反恐作业 。我们可以相信 ,在未来仿生机械手的应用会越来越广 ,具 [6] 有人手一样的灵巧度 ,同时具有高度的精确度和可靠度 。 图 2 科研用机械手 3 仿生移动机械 移动机构作为运输的平台在汽车领域 、 机器人领域及各类特种任务完成领域有着举足轻 重的作用 ,传统移动机构的主要形态是轮式 ,结构相对简单可靠 ,技术成熟 ,且科技的发展使得 现代移动机构负重能力不断加强 ,灵活性不断提高 ,在大多数情况下都能满足要求 。然而随着 人类涉足领域越来越广泛 ,在某些特殊环境下却不见的是最佳选择 。研究者也看到了生物体 的移动能力对环境的适应性是机械无可比拟的 ,部分生物在特殊环境中的移动能力更是令人 叫绝 。正是由于认识到了这一点 ,仿生机械学者在仿生移动机构方面做了大量大的工作 ,取得 了许多成果 。 根据所移动环境的不同 ,这里将移动机构分为常规地形移动机构 、 松软地面移动机构 、 墙 面移动机构和狭小空间移动机构 。 第 24 卷 毕千等 : 仿生机械学发展综述 ?1 5 9 ? 3. 1 常规地形移动机构 传统的轮式移动机构具备高速高效的移动性 能 ,但在不规整地形下很难体现出这些优势 ,通过 仿生机械的应用 , 得到了不错的进展 。应用之一 是在轮子与底盘之间加装一个转动副 , 这与生物 的膝关节异曲同工 , 此类设计普遍见于月球车的 移动机构设计中 。即使这样 , 移动机构对地形的 适应能力依然有限 , 车轮与腿结合衍生出了轮腿 式移动机构 ,平坦地势采用轮子高速移动 ,遇到复 图 4 仿生机器蟹 杂地形时 ,展开腿部行走 ,此类机器人主要有美国 JPL 的 Go - For机器人和日本 Tohoku 大学的 ChariotⅡ 机器人等 。相比前两种 ,足式移动机构 适应能力最强 ,但结构也是最复杂的 ,两足的人形机器人 、 常规四足机器人 、 六足仿生机器蟹以 [7] 及八足仿生蜘蛛等 ,分析运动步态稳定性是这一类移动机构的共同关键所在 。另外 , 有一 [8] 类仿生移动机构不得不提 ,即以伪刚体模型为基础的仿袋鼠跳跃跑动机构 。 3. 2 松软地面移动机构 沙漠 、 滩涂等松软地面机械领域长期以来一直存在这两大难题 : 土壤对移动机构的严重粘 附和移动机构在松软地面的通过性差 。生物脱复原理 、 脱附减阻仿生学理论及驼足越沙机理 [9] 的研究和应用为解决此类难题指明了方向 。吉林大学地面机械仿生技术实验所 ,在这方面 处于较领先地位 ,研制出仿生步行轮 、 仿生驼足轮胎等移动机构 。 3. 3 墙面移动机构 作为一种可在地面 、 、 陡壁 天花板等不同方向面上自由灵活运动的四足动物 ,壁虎理所当 然地成为了仿生学研究的重点对象 ,针对壁虎的移动机构主要分为吸附技术的研究与移动技 术的研究 。这方面 ,美国一直处于领先地位 , 斯坦福大学的 Stickybot,无论在外形还是在运动 能力上都达到了很高的仿生程度 。 3. 4 狭小空间移动机构 对于瓦砾废墟等特殊地形 ,前面所述三类移动机构均很难适应 , 还包括地下等狭小空间处 。蛇的爬行形态刚好对此有不错的适应 性 ,因此 , 蛇的移动机理具有很高的仿生利用价值 , 美国 NASA 的 Snakebot 蛇形机器人 , 就能够穿梭在受灾现场的瓦砾狭缝之中 , 寻 找幸存者 。此类移动机构部分是由带有轮子的模块串连而成 , 运动 直接由轮子驱动或蛇体内的行波传播产生 , 如主动索状机构 ( ACM )和变几何桁架结构 ,另一部分是由刚性杆组成的链状结构 , 运动由 [ 10 ] 关节之间的扭转作用产生 。 未来仿生机械学在移动机构中的应用将更加广泛 , 将以非结构 化环境适应能力 、 智能化 、 可重构等方向发展 。 4 仿生飞行机械 仿生学在飞行机械中的应用更多的是在微型飞行器 (M icro A ir Vehicle,简称 MAV )方面 ,尤其是微型扑翼飞行器 ( Flapp ing - W ing 图 5 蛇形机器 ?160? 武 夷 科 学 第 24 卷 M icro A ir Vehicle ,简称 FMAV ) ,这是一种模仿鸟类和昆虫飞行 , 基于仿生学原理设计制造的 新型飞行机器 。目前对 FMAV 空气动力学问题的研究还处于起步阶段 ,还没有具体的理论和 经验公式可以遵循 ,不同于传统飞行理论 , FMAV 的研究主要从两个方面展开 : 非定常高升力 [ 11 ] 机理分析和柔性扑翼的气动特性分析 。 就国内外微型飞行器的研究现状来看 ,美国 、 澳大利亚 、 俄罗斯 、 印度 、 以色列等国已成立 专门研究机构 , 并投入专项研究经费 ,正在研制和开发各种性能独特的微型飞行器 ,其中有些 微型飞行器已进入实用化研究阶段 。现阶段 ,国内仅有部分高等院校和科研机构也开展微型 飞行器的研究工作 ,与国外相比存在较大差距 。 利用仿生技术的微型飞行器的发展趋势将向 着仿生智能微型飞行器方向发展 。飞行器的大小 和飞行性能可与鸟类和昆虫媲美 。如加利福尼亚 大学研制的“ 会飞的机器苍蝇 ” 。 5 仿生游动机械 水下无人潜器 ( AUV ) 在海洋生物研究 、 地形 勘测 、 海洋军事等方面的应用日益广泛 ,拥有广阔 的应用价值和开发潜质 。早在上世纪五六十年 代 ,仿生机器鱼的研究就已经受到了机器人学者 的重视 ,有关理论和实验得到不断发展 ,下表给出 了部分重要理论和研究工作的发展 理论 /实验 Gray 疑题 [ 12 ] 。 主要内容 假定运动中的海豚的阻力与坚硬模型的阻力相同 , 估计了海豚肌肉能够传导的动力 , 结果却是实际情况的 7 倍 分析鲹科推进模式 分析大摆幅 、 月牙形尾鳍推进 分析与体长相比左右摆幅较小鱼类的推进 对二维波动理论的发展 鱼类游动 DP I 流动显示了直线前进的鲻科鱼身体周围的速度场 , V 尾部显示出存在涡旋结构 表 1 部分重要理论和研究工作的发展 代表研究者 时间 Gray 1936 细长体理论 二维抗力理论 波板理论 三维波动板理论 鱼类游动机理 DP I 流动实验 V L ighthill 1970 Chop ra&Kambe 1977 V ideler&Hess 1984 1991 1993 1997 童秉纲 Rome M iller 转弯机理 BCF 推进模式的 阻力特性研究 BCF 推进鱼类的 水动力学理论和实验 Wolfgang 1999 研究了转弯调头时附体涡 ,以及尾涡的控制作用 , 身体由曲变直时尾部形成一股射流 像鱼一样摆动时 ,拖动模型与驱动尾部摆动消耗的能量比 拖动不摆动的刚性模型消耗的能量要小 对身体及尾鳍摆动方式游动鱼类的全面综述 鱼体摆动游动时的三维流场结构以及涡控制 , 尾鳍不同的摆动模式在下游产生不同的涡旋结构 Barrett Triantafyllou ZHU Q 1999 2000 2002 数值模拟 第 24 卷 毕千等 : 仿生机械学发展综述 ?1 6 1 ? 无论是 BCF还是 M PF,机器鱼实验模型的尺度都较小 , 惯性也较小 , 当尺度增大时 , 转动惯性 2 3 随尺度的 5 次幂增大 ( J∝ ML , M∝ L ) , 当其尺寸增大到工程应用时 , 结构强度 、 运动平稳性 等问题随之而来 。另一方面行波推进所需要的鱼体摆动较大 , 使得其难于运用于仿生水下航 行器 。综合各种推进模式的优缺点 ,未来的仿生机器鱼将是一个具有刚性大体积身体且具备 宽大的月牙形尾鳍起推进与转向作用 ,而背鳍与胸鳍等附件起控制作用的水下机器人 。 6 其它仿生机械 上述我们所提到的主要是运用于动态机械结构或者完成动态动作的仿生机械 ,这一部分 偏重于功能原理仿生运用于机械工程中 。除此之外还包括 : 1 )高刚度 、 强度的支撑结构 ,如通 过仿蜜蜂巢房的特殊几何结构 。 2 ) 局部最优 、 减少应力集中的承力结构 , 如股骨的变截面过 渡结构 。 3 )抗冲击 、 抗振的承力结构 ,如马蹄的结构 。 4 ) 仿生人造器官 ,如人造眼 、 人造耳朵 、 人造内脏 、 人造肢体等 。 显然 ,仿生技术在机械工程中的应用远不止如此 。而随着科学技术的进一步发展 ,机械工 程中 ,包括功能性仿生和结构性仿生都将进一步发挥着它们特有的自然优势与神奇 。 7 结语 自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物 ,每种生物都拥有神奇的特性与功 能 ,能够在复杂多变的环境中生存下来 。通过研究 、 模仿某些生物特性和功能 , 来改进现有的 或创造新的机械 、 仪器等 ,将极大的提高人类对自然的适应和改造能力 ,产生巨大的社会经济 效益 。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 ,但可以确信 21 世 纪是生物技术高速发展的时期 ,随着人们对生物体认识的深入 ,仿生机械设计也将会有更加广 阔的前景 。 参 考 文 献 [ 1 ]汪久根 ,鄢建辉 . 仿生机械结构设计 [ J ]. 润滑与密封 , 2003, 2. 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