1、本科毕业设计（论文）六足步行机器人设计与仿真燕 山 大 学2012年6月 本科毕业设计（论文）六足步行机器人设计与仿真学院（系）： 里仁学院 专 业： 机械电子工程 学生 姓名： 牛智 学 号： 081101011184 指导 教师： 田行斌 答辩 日期： 20012.6.17 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 系级教学单位： 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ）
2、 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容基本要求参考资料周 次第 周第 周第 周第 周第 周应完成的内容指导教师：职称： 年 月 日系级教学单位审批： 年 月 日摘要基于仿生学原理，在分析六足昆虫运动机理的基础上，采用了仿哺乳类的腿部结构，并针对这种腿部结构设计了六足的行走方式，通过对18个直流伺服电机的控制，采用三角步态，实现了六足机器人的直行功能。仿真证明，这种结构能较好地维持六足机器人自身的平衡，并且对今后更深入地研究六足机器人抬腿行走姿态及可行性，具有较高的参考价值。针对仿生六足步行机器人关节较多，其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状，采用Solidworks软件与UG软件相
3、结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析。通过仿真，验证了所设计的三角步态的适用性。关键词六足机器人；步行；三角步态；运动学仿真AbstractA bionic leg structure which is similar to the legs of mammals was used， and a hexapod walking mode was designed according to this structureBy controlling 18 step motors straight walking function of the hexapod robot
4、has been implemented with tripod gait movementSimulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robot balance better，providing high reference value to research the advantage and feasibility of leg raising walking gestureAs there are many joints in the bionic hexapod walking rob
5、ot and the calculation of its walking track and joints control unit are comparatively comp- licated，the kinematical simulation and analysis of the model of bionic hexapod walking robot have been done by using solidworks and UGThrough simulation，the applicability of designed tripod gait are validated
6、Keywords Hexapod robot；Walking；Tripod gait；Kinematics simulation 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1研究主要成果21.1.2发展趋势41.2本章小结5第2章 机器人学与仿生学介绍62.1机器人学的基本理论62.1.1机器人的基本定义62.1.2机器人学的基本术语72.1.3机器人的规格72.1.4机器人的分类82.1.5本课题研究的意义92.2 仿生学概述102.2.1仿生学的研究方法与内容122.2.2仿生学的研究范围142.3本章小结15第3章 仿生六足机器人的设计163.1 六足仿生机
7、器人的三角步态运动原理与设计163.1.1关于步态的参数描述163.1.2三角步态运动原理173.1.3步态设计183.2仿生六足机器人机构建模193.3仿生六足机器人本体设计203.4 仿生六足机器人腿部设计223.4.1腿部参数确定原则223.4.2腿部驱动系统设计223.5本章小结28结论29参考文献30致谢32附录133附录238附录344第1章 绪论1.1 课题背景机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，它在众多领域与生产部门得到了广泛的应用，并显示出强大的生命力。它使得传统的生产发生变革，并对人类社会的生活产生深远的影响，它正在成为工厂，企业进行产品生产，乃至整个国家
8、进行经济和军事较量的重要手段。从诸葛亮的“木牛流马”到阿西莫夫“的机器人三定律”，长久以来，人们从未停止对机器人的幻想，探索和研究。直到1961年，美国通用机械公司生产和销售了第一台工业机器人，取名为“尤尼梅特”。此后，各国对机器人的研究都给予了相当的重视，各种各样的机器人如雨后春笋般诞生。我国对机器人技术的研究从70年代末起步以来，经过“六五”，“七五”期间的发展，在机器人理论，样机设计，研制及机器人应用工程等方面取得了大批成果。高等学校作为培养高素质人才的基地，同样在机器人领域开展了广泛的研究，如长沙的国防科技大学，上海交通大学，北京航空航天大学，燕山大学等在步行机器人，精密装配机器人，7
9、自由度机器人及并联机器人等前沿领域都取得了可喜的成绩，正在逐步缩小在机器人技术方面与世界先进水平的差距。步行机器人（walking robot legged robot）或步行车辆（walking vehicle）简称步行机，是一种智能型机器人，它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技10。在崎岖路面上，步行车辆优于轮式或履带式车辆。腿式系统有很大的优越性1：较好的机动性，崎岖路面上乘坐的舒适性，对地形的适应能力强。所以，这类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业，有非常广阔的应用前景，多足步行机器人技术一直是国
10、内外机器人领域的研究热点之一1,9。随着机器人的工作环境和工作任务的复杂化以及人们对于娱乐辅助等移动机器人的需求的增加，要求机器人具有更高的灵活性、智能性和环境适应性，足式仿生机器人的发展越来越受到重视。运动性能是足式机器人的一项重要的考查指标，在现有的机器人系统中，大多采用步态规划算法进行步态规划，此方法需要对机器人及环境精确建模，控制过程中进行大量计算和测量，较难满足实时性要求。基于生物节律运动控制机理的仿生机器人通过模拟自然界动物最常见的运动方式节律运动来实现具有高度稳定性和环境适应性的运动，从而避免了大量的计算与规划，实时性与环境适应性较好16。1.1.1研究主要成果1、1990年，美
11、国卡内基- 梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER2，该机器人采用了新型的腿机构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，两杆正交。该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态，所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为3180kg，由于体积和质量太大，最终没被用于行星探测计划7,17。2、1994年，日本电气通信大学的木村浩（Hiroshi Kimura）等研制成功四足步行机器人Patrush-II，该机器人用两个微处理机控制，采用直流伺服电机驱动，每个关节安装了一个光电码盘，每只脚安装了
12、两个微开关，采用基于神经振荡子模型CPG（Central Pattern Generator）的控制策略，能够实现不规则地面的自适应动态步行，显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的特点。3、1995年，日本产业技术综合研究所的小谷内、安達等开始研究手脚统一型步行机器人MELMANTIS16,17，将手臂的操作机能和脚的移动机能统一，可进行森林采伐作业、地雷探测及拆除作业等。4、2005 年大阪大学的田窪明仁、新井健生等研制成功最新型的手脚统一型步行机器人ASTERISK10,11，该步行机器人在2005年4月爱知世博会上展出，具有用脚移动及用手搬运物品或进行作业的双重机能。以机体为
13、中心，呈放射状配置6条腿，表现为全方位均等的作业空间和全方向移动的机能，能在不平地面上移动或悬吊于天花板进行作业，宽816mm，高78mm，每条腿有4个自由度。安装有11个传感器和6个CCD摄像机。11个传感器分别是：1个3轴加速度传感器、1个2轴陀螺仪传感器、6个3轴力传感器和3个红外线传感器，电机采用DX-116，质量4kg。5、1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，主要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。6、1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机
14、，并进行了步行实验，钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究3,4。7、吉林工业大学从20世纪70年代开始，由陈秉聪教授和庄继德教授分别带领的两个研究小组，开始进行非常规行走机构的研究6。1985年，陆怀民博士研制出一台具有两条平行四边形腿的步行机耕船试验台车，在土槽试验中表现出较高的牵引效率，主要用于无硬底层的水田耕作；1986年，高峰博士对步行车辆的全方位转向进行探索，在步行车辆转向理论方面有独到的见解，提出了一种全方位转向机构，设计了有全方位转向机构的六足步行车辆ARPSV；1990 年高义民博士进行了8 自由度六足步行车辆的研究，并试制了模型13。8、1980
15、年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机，主要用于海底探测作业，并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。9、1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验10；钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人，进行了步态和运动学方面的研究。10、1990年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机9，不仅能在平地步行，还能上楼梯。该所还研制了水下六足步行机以及采用连杆机构来实现动态步行的四足步行机模型。11、1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。JT
16、UWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上，通过对3个自由度的协调控制，可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统，JTUWM-III以对角步态行走，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走，极限步速为1.7km/h6。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。12、2000年，上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进，开发出具有全方
17、位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR，其第一代的每条腿只有2个自由度，无法实现机器人的转向，只能进行直线式静态步行，平均行走速度为1mm/s。将机体的主体部分进行改进设计，由上下两层相互平行的三叉支架组成，将六足改进为双三足，引入身体转动关节，采用新型的组合偏动SMA驱动器，使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。13、2002年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究，该步行机器人外形尺寸为：长30mm，宽40mm，高20mm，质量仅为6.3kg，步行速度为3mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸，采用微
18、型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构，在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计，步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。1.1.2发展趋势未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面：(1)腿轮组合式步行机器人。腿式移动机器人地形适应能力强，能越过大的壕沟和台阶，其缺点是速度和效率均比较低。目前，腿式移动机器人系统应用行星探测仍然是很困难的。腿轮组合式步行机器人综合了腿式和轮式机器人的优点，具有较强的地形适应能力、较好的稳定性和较高的能量效率。特别适合用于行星探测，在无法确定待探测地表状态的情况下，采用腿轮组合式步行机器人可提高步行速度和效率。在松软或者崎岖不平的行星地表，
19、采用腿轮组合式显示出优越性，在坚硬且较平坦的地表，由于没有土壤变形引起的阻力，采用轮式结构可有效提高其运动速度。(2)微小型步行机器人。微型化是工业发展的必然趋势之一，是高技术成果的结晶。日本已研制出外形为：8.6mm9.3mm7.2mm的微型行走机器人。微型步行机器人有广阔的应用前景，如可将数以千计的微型步行机器人散布在星球上进行探测;在考古研究中，该种机器人可步行进入狭小的空间内采集样品等；可在狭小的空间如管道内行走、作业和维修等。(3)仿生步行机器人。在步行机的腿上安装弹性装置或采用人工肌肉等柔性腿，就是结构仿生的体现，采用形状记忆合金驱动是材料仿生的体现。目前的步行机器人还远未达到像多
20、足昆虫那样的步行机动性和灵活性，存在步行速度低，效率差等问题。进一步深入研究功能、控制和群体仿生，提高步行机器人的速度和灵活性，充分实现多足步行机器人的优点，是今后研究步行机器人的重点之一。1.2本章小结目前，多足步行机器人亟需解决的研究问题主要有(1)步行机器人在松软地面的通过性问题；(2)步行机器人在松软地面上脚的减粘脱土问题；(3)步行机器人的结构仿生问题；(4)在不平地面移动的速度问题；(5)陷入软土壤或倾翻能自动恢复正常行驶的问题；(6)仿生学控制方面的问题。如小脑关节控制（CMAC）模型或中枢模式生成器（CPG）模型的控制问题等。第2章 机器人学与仿生学介绍2.1机器人学的基本理论
21、 机器人技术经过多年的发展已经发展形成了一门综合性学科机器人学。机器人学集中了机械工程、电子技术、自动控制理论以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了光电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最具活力、最具影响的领域之一，它主要包括以下内容：（1） 机器人的基本理论与方法，如运动学和动力学、作业与运动规划，控制与感知技术、机器人智能理论；（2） 机器人设计理论与技术，如机器人机构分析和综合、机器人机构设计和优化、机器人关键器件设计、机器人仿真技术；（3） 机器人仿生学，如机器人的形态、结构、功能、能量转换、信息传递、控制和管理等特性和功能仿生理论与技术方法；（4） 机器人系统理论和技术，如多机
22、器人系统理论、机器人语言与编程、人机交互、机器人与其他机器系统的协调和交互；（5） 机器人操作和移动理论与技术，如机器人装配技术、移动机器人运动与步态理论、移动机器人稳定性理论、移动操作机器人协调与控制论；（6） 微机器人学，如机器人的分析、设计、制造和控制等理论与技术方法。2.1.1机器人的基本定义美国机器人协会对机器人的定义：机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用工具，通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机。日本机器人协会对机器人的定义：一种装备有记忆装置和末端执行装备的、能过完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。国际标准化组织对机器人的定义：机器人是一种自动化、
23、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，来执行各种任务。根据上述定义，我们可以理解机器人具有以下特性：1机器人是一种机电装置，能够完成多种操作和动作功能2机器人具有可编程性，具有多种多样的程序流程3机器人有一个自动控制系统，可以在无人的参与下，自动完成操作任务2.1.2机器人学的基本术语自由度：机器人的自由度是表示机器人动作灵活性的一种尺度，他是机器人所具有的独立坐标轴的运动数目，有时还包括末端执行机构的开合。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要6个自由度，一般通用机器人的自由度大于或等于6。机器人的自由度数越多
24、，移动性和通用性越好；但是自由度越多，结构越复杂，对机器人的整体要求也越高。工作空间：工作空间指机器人手臂末端执行器或手腕中心所能达到的所有空间点的集合，也叫工作区域。因为末端执行器的形状和尺寸是多种多样的，所以常用工作空间来反映机器人的执行能力。2.1.3机器人的规格机器人的规格可以按以下几种指标分类，包括：驱动方式、坐标轴形式，工作空间、控制插补方法、坐标轴的数目、承载能力、速度、定位精度和重复性、运行环境等。1 驱动方式：机器人按照驱动方式可以分为：电气驱动、液压驱动和气动等。其中电气驱动是最普遍的。2 控制插补方法：控制末端执行器或工具运动的方法有点位和连续控制两类。点位控制仅要求工具
25、通过一系列空间的点，点与点之间的路径并不严格要求。连续路径控制是指末端执行器可跟踪三维空间中规定的“路径”。3 坐标轴数：坐标轴数也称自由度数，是指描述物体运动所需要的独立坐标数。三维空间的刚体有六个自由度，平面运动则需三个自由度。六自由度的机器人一般在其工作范围之内，可使其工具或手运动到任意位姿。4 工作空间：工作空间表示机器人的工作范围。它是指机器人运动时手腕参考点或工具安装点能够到达的所有空间区域，一般不包括手爪或工具本身所能到达的区域。5 承载能力：各类机器人搬运重物的能力相差极大。承载能力不仅取决于构件尺寸和驱动器的容量，还与机器人的运行速度有关，这是指在正常运行速度下所允许抓取的物
26、体重量。6 速度和循环时间：运动循环过程包括启动加速、等速运动和减速制动三个阶段。为了保证定位精度往往会在加减速阶段花费较长的时间，因此，提高加减速的能力非常重要。7 定位精度和重复性：定位精度和重复性时机器人的两个精度指标。定位精度是指机器人末端件的实际位置与理想位置之间的差距，重复定位精度是指在相同的位置指令之下机器人连续重复运动若干次，其位置的分散情况。8 机器人的运行环境：机器人能够在极端恶劣的环境下工作，因而机器人的结构设计、材料和防护措施都应加以特别注意，在易燃、易爆环境中对机器人的设计和驱动方式都有特殊的要求。喷漆机器人大多采用液压驱动，就是鉴于防火和防爆的需要。2.1.4机器人
27、的分类机器人的分类方法有很多。这里主要介绍三类分类方法，即分别按机器人的几何结构、机器人的智能程度以及机器人的用途来分。1.按机械手的几何结构来分：（1）柱面坐标机器人。柱面坐标机器人主要有垂直柱子、水平手臂和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩，并可沿垂直柱子上下运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起（作为一个部件）能在底座上移动。这样，这种机器人的工作轨迹（区间）就形成一段圆柱面，因此，把这种机器人叫做柱面坐标机器人。（2）球面坐标机器人。这种机器人的机械手能够做里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种机器人的工作包迹形成球面的一部分，并被称为球
28、面坐标机器人。（3）关节式球面坐标机器人。这种机器人的机械手能够做里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此，这种机器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面机器人。2.按机器人的智能程度分：（1）一般机器人，不具有智能，只具有一般编程能力和操作功能。（2）智能机器人：具有不同程度的智能，又可分为：传感型机器人，具有利用传感信息进行传感信息处理、实现控制与操作的能力。交互型机器人，机器人通过计算机系统与操作员或程序员进行人机对话，实现对机器人的控制与操作。自主型机器人，在设计制作之后，机器人无需人的干涉，能够在各种环境下完成各种拟人任务。3.按机器人的用途分：工业机器人或
29、产业机器人，应用在工农业生产中，主要应用在制造业部门。探索机器人，用于进行太空和海洋探索，也可用于地面和地下探险和探索。服务机器人，一种半自主或全自主工作的机器人。军事机器人，用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。2.1.5本课题研究的意义对加入WTO的中国来说，外面的挑战远远多于入世所带来的机遇，只有迎接挑战，才能带来机遇。中国的工业大多数是以劳动力密集型为基础的，自动化程度不高，仅有的一些大型的自动化生产线都集中在几个汽车，家电企业，机器人的应用更是寥寥无几，而同是亚洲国家的日本，其自动化程度和机器人的应用都远优于中国，这个战后崛起的国家，今天，已经成为世界第二大经济强国。从古到今，任何一
30、个强大的民族，必须有发达的制造业，吉普赛人的商业才能没能成就他们民族的强大，而德国人曾经依靠工业的先进席卷整个欧洲。中国要想再次崛起，实现中华民族的复兴，必须大力发展工业，而其中重要的一个战略高地，就是机器人领域。过去的几年中，我们亲眼目睹了机器人在工业领域的高速发展，它所能为人们带来的经济价值是难以估量的，在追求高速高效的现代社会，机器人作为代替人类进行枯燥高负荷劳动的机械装置，越来越得到人们的重视，各国也将机器人的研究作为一项发展工业的重要手段。并联机器人作为机器人家族的一员，具有刚度大，承载能力强，误差小，精度高，自重负荷比小，动力性能好，控制容易等一系列优点，与目前广泛应用的串联机器人
31、在应用上构成互补关系，因而，扩大了整个机器人的应用领域。本文提出的双足并联步行机器人对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面；并且行走系统占地面积小，活动范围很大，有着广阔的工作空间。这种步行机器人在不远的将来有望取代轮椅，为下肢残疾人提供便利。其不仅有很高的学术价值，而且对于扩大并联机器人的应用范围具有特别重要的意义。2.2 仿生学概述仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越
32、的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。 人类仿生的行为虽然早有雏型，但是在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉。科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，进行着人工发明。他们很少有意识的向生物界学习。但是，以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些难题，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程
33、中就已解决了，然而人类却没有从生物界得到应有的启示。 20世纪40年代电子计算机的问世，更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富，它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各种信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来，使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力，它们准确地调整、控制着生产程序，使产品规格精确。但是，自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的，这就使它的控制能力具有很大的局限性。自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力，如果发生任何意外的情况，自动装置就要停止工作，甚至发生意外事故，这就是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点，无非是使机器
34、各部件之间，机器与环境之间能够“通讯”，也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题，在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题。因此，信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾。如何解决这个矛盾呢？生物界给人类提供了有益的启示。 随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，
35、而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学仿生学。作为一门独立的学科，仿生学正式诞生于1960年9月。由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗？”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学，1963年我国将“Bio
36、nics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。简言之，仿生学就是模仿生物的科学。确切地说，仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系
37、统，为人类造福。2.2.1仿生学的研究方法与内容 仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成，而且也概括表达了仿生学的研究途径。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。仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段：首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，取消与生产技
38、术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是在仿生中有创新。经过实践认识再实践的多次重复，才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特
39、点，就是整体性。从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统。它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制，它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量，才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合，才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系，即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟。为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果。因此，仿生学的研究方法必须着重于整体。仿
40、生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内，仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展，学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“
41、人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等。从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来，近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。2.2.2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、信息与控制仿生等。力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳
42、建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过
43、程。例如，根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人机系统的仿生学方面。仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究
44、大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面生物模式识别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等是仿生学研究的主攻方面。 控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数
45、学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。2.3本章小结仿生学的研究内容，从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代，仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方
46、向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展。因此，仿生学的科研显示出无穷的生命力，它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。 第3章 仿生六足机器人的设计3.1 六足仿生机器人的三角步态运动原理与设计3.1.1关于步态的参数描述通俗的说，步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。步行机器人的腿可以看作两状态器件。腿的悬空相（Transfer phase）指腿抬离地面的阶段，悬空相状态记为“1”。腿的支撑相（support phase） 指腿支撑在地并推动机体向前运动的阶段，支撑相的状态记为“0”。运动周期T 指周期步态中某一腿运动一个完整循环所需要的时间。周期步态指各腿的运动周期相同，且任一腿的运动周期不随时间而变化。有荷因数（duty factor）指
