运动仿生

一、运动仿生的发展

每种生物经过不断的进化后，都有其独特的运动方式或是生物习性，以避免在弱肉强食的大自然环境中遭到淘汰，例如动物的行走、奔跑；昆虫的跳跃；鸟类的飞翔。人类观察到这些生物的特殊行径后发挥创意，转化成适合人类使用的机具。

随着生产的需要和科学技术的发展，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、仿生学是一门边缘学科，它是指模仿生物系统的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系统特征的科学，在这一理论指导下，一种新型机构——仿生机构产生并迅速发展起来。仿生机构是用来模仿各种生物的特殊行为动作的一种新型模拟装置机构，为在较差路况下仿生行走提供可能，为在特困情况下的作业提供可能。

二、车辆形态的仿生研究

自人们发明车辆以来，车轮一直是所有轮式车辆的的理想行走机构，然而自然界中并没有轮子，地面车辆系统研究创始人M.G.Bekker曾指出，车轮成为普遍应用的运输机构的原因不一定是因为它的效率高二十比较容易得到允许它在上面滚动的道路。

国内外几十年的越野行驶实践表明，土壤剪切强度是支配车辆松软地面通过性的最重要的性质，甚至是决定性因素。因此，所有有关提高通过性的研究都是出于有效利用车辆行走机构下土壤强度而考虑的。据此，便产生了普遍采用的减小接地比压这一设计思想，履带、特种轮胎都是这种设计思想的产物。然而，在常规车辆构型（无论是轮式还是履带式）概念的基础上，按照这种设计思想对越野车辆性能的改进发展缓慢，甚至出现停滞的局面。因此，必须突破传境的车辆概念及其做法。在给定的行驶作业环境里探求具有优越行驶性能的新型车辆构型。

车辆形态的仿生研究就是突破传统车辆构形概念的一个范例，这就是各种形式的步行车辆。步行车辆的研究是通过观察、研究各种动物的运动方式，应用仿生学模拟动物步行运动，来设计出与传统车辆构形根本不同的仿生车辆。

仿生学是60年代初期形成的一门新兴科学，它是研究生物系统，制作模拟其卓越机能装置的科学技术领域，具体来说，仿生学主要是观察、研究和模拟生物各种各样优异的本领，以便将这些先进的性能移植到科学技术中去，来改善老的、创造新的各种自动装置和调节系统，为国民经济各领域提供性能优良、接近生命系统的技术装置。

车辆的仿生研究目前主要是生物力学和生物感官的仿生。通过研究生物的运动形式及其感觉部分，研究创造能适应特定环境的机械系统。自动车辆，及能够接受、记录和测定信号的传感装置，这样研制出来的仿生车辆模拟动物的步行，可适合各种无路地区及特殊的地面环境。在这样的特殊环境中，仿生车辆就比常规车辆机动性好、速度快、效率高，且有较好的平顺性。发展仿生车辆是彻底改进常规车辆越野性能的重要措施，对国民经济建设和国防建设具有重大意义。

目前，仿生车辆的研究主要是步行运动原理和步行车辆的研究，有关步行运动的研究大约已有近百年的历史了。在这期间，科学工作者创造了各种各样的步行车辆，并建立了相应的理论。在该领域研究发展史上起到重要作用的有下列事件。

1850年，俄国数学家chebyshey首先发明了能实现步行运动的腿机构，如图1所示，此机构被应用于早期的步行车辆中。最早系统地研究人和动物的步行原理的是Muybridge，1877年，他运用了自己研制的独特的摄影机，拍摄了人和40多种四足动物的步行特性。通过他的研究，弄清楚了许多动物的步法，即步行姿态8种类型的图形。这些类型中，有些步行姿态还是第一次被发现。他的研究成果至今还有重要的参考价值。

步行车辆最早出现于1870年，它采用了如图1所示的原理作为腿的机构，只能直线步行。

在以后的近几年中，不少研究工作者创造了类似的步行车辆模型。但是，它们的共同缺点是步行运动姿态固定，运动无法控制，所以它们的应用受到限制。

1968年，美国Mosher和Liston共同研制了四足步行车辆。车重为1.36吨，每条腿有三个自由度，车辆由人工操作。驾驶员的手臂和脚上放有四个位置传感器，并使它们与车辆腿上的四个液压伺服马达连接。这样，车辆的四条腿能随着驾驶员脚的动作而运动。通过这种操纵方式的试验，人们觉得要实现多自由度的操纵，采用人工操纵方法是困难的。

在1988年左右，一种叫PhynePony的四足步行车辆由美国Frank和MeGhee试制成功。该车辆首次使用了计算机作控制。他们的成功为步行车辆控制系统的发展提供了经验。

1977年，MeGhee和他的合作者研制成功了六足步行车辆。该车主要用来试验仿生的步行车辆运动过程的协调性与控制系统。车重只有136kg，为以后研究大型的自适应型六足步行车辆提供了依据。1985年，MeGhee和他的合作者研制成功了具有识别能力的自适应型仿生车辆，有六足，现已完成了各项性能的试验，1987年初，他们讨论了新的研制计划，准备逐渐实现实用化。

在前苏联，Gurfinke和他的合作者与1977年也研制成了六足步行车辆，该车辆与MeGhee初期（1977年的）研制的类似，采用了模拟计算机控制。

日本东京工业大学的总结现有步行车辆设计的经验，然后提出车辆腿的机构设计和控制要综合考虑的观点。他提出了用三维缩放机构作为步行车辆的仿生腿可使效率更高，据此设想，1980年，他研制成功了约1m长的小型四足步行车辆。该车装有相应的传感器，用计算机控制。试验后表明，该车达到了预期效果。

三、步行机构的仿生研究

机械腿是步行车辆的步行机构，因此腿的仿生研究就很重要。一个理想的腿应具有什么样的性能。至今还没有明确的概念。最初，腿的设计主要是从满足运动要求来考虑的，其次是控制。后来发现，腿的结构对传动效率影响很大，这样，机构的传动效率为腿机构设计的评价准则之一。

常用的腿机构型式有两种。

1、 昆虫型腿

它的“膝关节”侧置，“膝关节”位置高于“髋关节”，多数昆虫的腿具有这种型式。如蜘蛛等。

2、 哺乳动物型腿

它的“膝关节”的位置低于“髋关节”，如马、牛等动物的腿。

昆虫型腿可以绕着“髋关节”在三维空间内获得较大的运动空间，它与哺乳动物型腿相比，在同样条件下，腿运动所消耗的能量要少但作用在“髋关节”处的力矩较大。

通常，在步行机构仿生研究中选择腿的结构时，需要考虑以下几点：

（1）、当足着地后，腿机构应承受压力。

（2）、当足着地传递牵引力时，“髋关节”的运动轨迹必须为直线或近似于直线。

（3）、综合满足步法、控制和效率要求，避免出现“制动”效应。

（4）、腿机构的运动部件质量要轻，以减小惯性力。

世界著名的设计师西特.米特设计了回转平衡行走装货车，用于北极周围运送给养和器材。他了解到大象的重量由踝关节和脚间距离来分配到每一个脚掌上和扇形跗骨上，由于脚的收缩，重量可以减轻而不致于陷入泥泞。这是仿生原理，在行走这一方式上复制出象脚的自然功能，可以交错涨大和收缩，从而使车辆可以如动物般行走前进。

生物界的蜘蛛共有8条腿，在行走的时候，它总会4条腿撑着地，这样的话，它可以保持自己的平衡，依靠8条腿的优势，蜘蛛可以在不同的路况下行走，仿生蜘蛛正是基于这一特点而设计的。仿生蜘蛛机构包括减速系统、定轴轮系机构、空间连杆机构、出没开关电路组成。它可以模拟蜘蛛的爬行，可以在路况较差的情况下平衡行走，且力矩大，运动精确，是一种值得重视的仿生机构。

该方案是通过齿轮定轴轮系机构，将原动力通过一个空间运动副转化为连杆的空间运动。而空间的运动正是模拟了蜘蛛的生物运动——包括抬腿、向前迈腿、向后蹬腿，完成一个循环，从而实现行走。而机构的平衡性是通过调整连杆的不同步调来实现的。触摸开关的作用是模拟蜘蛛的神经系统，当有人触摸其身体的时候，电动机开始工作，蜘蛛向前行走，模拟它受到惊吓的状态。

同样，骆驼经过长期进化，驼足与沙土的作用方式也表现出它的优越性。驼足增面固沙的结构特性可以降低驼足在沙地的下陷，从而提高骆驼的沙地行走效果。通过研究骆驼在平坦沙地行走时驼足的运动特性，所得结果有利于揭示骆驼沙地高行走性能的优异本领，对于步行车辆步行足运动方式及腿足运动协调的合理设计具有指导意义。

驼足入地后，足面与沙面的角度立即变为（或保持）0度，随着髋关节超前于踝关节，腿出于提供推进力的有力：吠态，驼足开始绕其前段的肺旋转，使足面与沙面的角度值逐渐增大，驼足在着地阶段与沙的这种作用方式可使沙土的剪切能力提高，沙土可提供的推进力增大，并可防止足后滑的发生。

驼足离沙时刻驼足与沙面的角度仍在增加，这表明驼足离沙后有回弹过程，随骆驼行走速度提高，回弹效应明显。驼足的弹跳韧带起作用的回弹现象有利于提高速度和推进跨步。

这种设计方法常利用现有的高科技手段，对生物体的运动规律进行研究，找出其运动的原理，针对性的解决设计工程中的问题。自然界的事物每时每刻都在发生着无穷无尽的变化，我们就需要把变化中的事物一段一段的剖开，从一个或几个剖面来思考事物，从而把无穷的变化转化成了有限的变化；把动态的事物凝固成了静态的事物，这样思考起来就方便多了。

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