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 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼

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 眼睛 机器视觉 嘴巴 人工声带 手 机器手臂 脚 机器脚

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机械仿生手 三指机械手

三指机械手 四指机械手

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 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

1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼

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

缓冲型弹簧腿

缩放型腿机构

两种弹跳模型

四足机器人分类 缩放式 关节式

哈工大机器人（缩放式）

上交机器人（关节式）

1 仿生手 2 仿生多足机器人 3 仿生狗 4 仿生蛇 5 仿生鱼

仿生狗

西北工大仿生狗

BIGDOG “大狗机器人”是美国波士顿动力工程公司研制的新型机器人，每次该公司展示这款机器人的最新特点时，人们对它的先进功能都会感到吃惊，不由地产生一种恐惧感。这是一种行动非常灵活的机器人，四足结构使其能够适应在山地攀爬，如果我们在山地上奔跑，大狗机器人可以很轻易地追赶到我们，并且用它们强壮的机械脚对人体进行致命的一击。 　　大狗机器人被称为“当前世界上最先进适应崎岖地形的机器人”，它们能够攀爬山坡，在溪流中行进，并且承载一定重量的货物。但是我们应当冷静地看待这种机器人，如果未来有一天，这种机器人会像科幻电影《终结者》中“T-800终结者”能够对人类执行残酷无情的杀戮任务。

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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仿生蛇 机器蛇的发展现状 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

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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仿生鱼 仿生机器鱼概述 用于水中作业的机器人 1.定义：根据仿生学原理设计模仿鱼类运动的 2.应用领域： 环境监测 管道监测 海洋生物观察 海底勘探、海洋救捞 军用方面 娱乐方面

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

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)

a.身体、尾鳍推进模式(BCF Model) 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

b.中间鳍、对鳍推进模式(MPF Model) 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。

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

1.大中型仿生机器鱼 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。 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。

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。 2.微小型仿生机器鱼 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。 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。

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。

国外研究现状 2.国外几款典型机器鱼 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 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。

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 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 Festo的仿生机器人

国内研究现状 1.概况 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、 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

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

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

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？ 女机器人的时装表演让人们感到战栗 　　今年初，日本产业技术总合研究所向世界推荐介绍了最新款女性化机器人——“HRP-4C”，它长得非常像现实生活中的女性，而且它擅长于时装表演。它在时装秀举手投足的表演无法让人们相信它仅是机器人而已。 　　摆在人们眼前一个很现实的问题是，这种女性化机器人需要人们严肃对待。当它从T型台走下，进入人们的生活中将意味着出现许多变化，它们看上去很温柔性感、会撅嘴撒娇、也会出现脸红害羞，重量仅有95磅，身高1.6米。 　　HRP-4C的面世让人们大吃一惊，更让人们产生更多的深思——如果这种机器人真正进入人们的生活，将会是怎么样呢？目前它的各种特征就已十分接近一位女性，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？

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？ 能够对儿童进行洗脑教育的教师机器人 能够对儿童进行洗脑教育的教师机器人 　　 能够对儿童进行洗脑教育的教师机器人 　　孩子的教育应当是人类自己的事情，如果未来教育事业一旦让机器人来掌控，那将是非常危险的，甚至这些机器人会对儿童进行洗脸教育。 　　近期，日本学生课堂已采用一种叫做“撒亚（Saya）”的教育机器人担当教育工作一段时间，“撒亚”机器人能够表达出6种表情——惊奇、恐惧、厌恶、生气、快乐和忧伤，这些功能都归功于在其橡胶皮肤下的复杂配线。 　　来自东京科技大学的科学家赋予它更多的人性化特征，除了能够像普通仿生机器人一样，它的老师特性一旦取得人类的依赖，会对儿童进行洗脑式教育。 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？

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 令人毛骨悚然的儿童机器人 　　一种外形可爱的儿童机器人长着大大的眼睛，以童贞的眼神看着你，就像是一个无邪的儿童一样。当人类儿童与这种机器人相处在一起，儿童自然地会降低警惕度。这款仿生儿童机器人是由日本大阪大学研制的，它被称为“CB2”。它有助于科学家更多地了解真实的儿童发育阶段。 　　CB2儿童机器人能够自如移动和行走， 身体肌肉框架结构上安装着56个制动装置，还有197个传感器，并能通过一个小型摄像仪看到一切。随着科学技术的进一步发展，未来这种机器人或许能够像真实的人类一样，在房屋里蹒跚行走，并且嘴里嘀咕说些什么事情，它们或许不再是一种可爱，随着智能化的逐步提高，也许它们不再是人类日常生活中的一种工具，而是一种可怕的“智能人类”。 令人毛骨悚然的儿童机器人 　　

讨论四 未来可以读懂人类思维的机器人 这种机器人可以应用在哪些领域？ 未来可以读懂人类思维的机器人 　　 未来可以读懂人类思维的机器人 　　日本本田公司研制的著名机器人——“阿莫西”是高级步行创新移动机器人的代表之作，它也是当今世界上最先进的仿生机器人。它们懂得如何慢跑，为客人端上茶水，指挥交响乐，总地来看，它的设计将负责应对人们的需要。 　　但是这款高智能机器人与人类生活的紧密性，也许对未来人类的生活将具有负面效应，它们可能会懂得如何策划行动事宜，具有思维能力可以读懂人类的思维。今年初，日本本田公司又呈现出该机器人新的特征，可采用一种新装置实现脑电波无线中断传播，进而实现阿莫西能够读懂人类的大脑。 讨论四 这种机器人可以应用在哪些领域？

讨论五 已在战场上测试的武装机器人 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） 已在战场上测试的武装机器人 　　 已在战场上测试的武装机器人 　　虽然这种武装机器人听起来像是模仿科幻电影中的故事情节，但是未来更聪明的科学家也许研制出可以携载武器系统的智能机器人。这应当是一个发展趋势，目前一些新型机器人已装配武器系统投入战场应用。 　　之前嗅闻炸弹的机器人和致命型机器人士兵已被派遣到伊拉克战场上，军事作战单位甚至希望能有朝一日配置虫子般大小的机器人执行监视。 　　虽然当前研究人员能够确保机器人在战场上的行为伦理性，但在电影《战争游戏》中，当人们信任机器人来掌管武器和其他军事事务时，他们才发现智能机器人不仅表现出高智能的一面，同时显现的是具有残酷的破坏性。 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）

讨论五 “空中水母”机器人 能否思考出这种机器人应用了什么样的技术？ “空中水母”机器人 　　 在美国科幻电影《黑客帝国》中，有数以千的长着触角的章鱼形状机器人，它们在该片中被称为“卫兵”，可在空中漂移，对人们和宇宙飞船发起攻击。尽管这是科幻电影中的虚构情节，由基努－里维斯（Keanu Reeves）扮演的主人公里奥和战友们共同抵御机器人的攻击，但也许在未来这种可在空中漂移的“卫兵”机器人将成为现实。 　　德国费斯托公司最新研制的机器人“空中水母”就与《黑客帝国》中的机器人十分相似，它们长着许多触角，里面充满着氦气，看上去非常漂亮，能像水母漂在海水中一样漂浮在空中。谈及到这款机器人，费斯托公司还研制出另一种机器人——“机器水母”，这是一种能够在水中漂浮着的机器人。 讨论五 能否思考出这种机器人应用了什么样的技术？

思考题 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？