第五章仿生原理与创新设计ppt课件

1、机 械 创 新 设 计李金泉北京邮电大学机电中心办公室：新科研楼915：buptljqsina.第五章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿活力械学概述一、仿生学.第五章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿活力械学概述一、仿生学.第五章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿活力械学概述一、仿生学.第五章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿活力械学概述一、仿生学竹鸢楼兰古城的有翼天使木牛流马.第五章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿活力械学概述一、仿生学.第五章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿活力械学概述一、仿生学研讨生物系统的构造和特征、并以此为工程技术提供新的设计思

2、想、任务原理和系统构成的科学,称为仿生学bionics。.第五章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿活力械学概述一、仿生学研讨生物系统的构造和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、任务原理和系统构成的科学,称为仿生学bionics。.1、机械仿生： 研讨动物体的运动机理，模拟动物的地面走、跑、地下的行进、墙面上的行进、空中的飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制模拟各种生物的运动安装。 仿生学的研讨内容主要有：.2、力学仿生： 研讨并模拟生物体总体构造与精细构造的静力学性质，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，模拟贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模拟股

3、骨构造建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材接受最大的载荷。 .3、电子仿生： 模拟动物的脑和神经系统的高级中枢的智能活动、生物体中的信息处置过程、觉得器官、细胞之间的通讯、动物之间通讯等，研制人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模拟苍蝇嗅觉系统的高级灵敏小型气体分析仪等。 .4、化学和物理仿生： 模拟光协作用、生物合成、生物发电、生物发光等。 例如利用研讨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，研制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，便可诱杀一种雄蛾虫。反浸透膜吸附法制氧机.5、信息

4、与控制仿生： 模拟动物体内的稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等。例如研讨蝙蝠和海豚的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘、鸟类和海龟等动物的星象导航、电磁导航和重力导航，可为无人驾驶的机械安装在运动过程中指明方向。.二、仿活力械学 仿活力械bio-simulationmachinery，是模拟生物的形状、构造、运动和控制，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。 本章重点讨论仿活力械学 仿活力械学研讨内容主要有功能仿生、构造仿生、资料仿生以及控制仿生等几个方面。 .三、仿活力械学中的本卷须知 1、了解仿生对象的详细构造和运动特性： 仿活力械是建立在对模拟生物体的解剖根底上，了解其详细

5、构造，用高速影象系统记录与分析其运动情况，然后运用机械学的设计与分析方法，完成仿活力械的设计过程，是多学科知识的交叉与运用。. 2、防止“机械式仿生： 生物的构造与运动特性，只是人们开展仿生创新活动的启示，不能采取照搬式的机械仿生。 飞机的发明史阅历了从机械式仿生到科学仿生的过程。 机械式的仿生是研讨仿生学的大忌之一。. 3、注重功能目的，力求构造简单： 生物体的功能与实现这些功能的构造是经过千万年的进化逐渐构成的，有时追求构造仿生的完全一致性是不用要的。 如人的每只手有14个关节，20个自在度，假设完全仿人手构造，会呵斥构造复杂、控制也困难的局面。所以仿二指和三指的机械手在工程上运用较多。.

6、 4、仿生的结果具有多值性： 要选择构造简单、任务可靠、本钱低廉、运用寿命长、制造维护方便的仿活力构方案。 5、仿生设计的过程也是创新的过程： 要留意笼统思想与笼统思想的结合，留意突破定势思想并运用发散思想处理问题的才干。.第二节 仿活力械手 1、仿活力械手机构的运动副及自在度一、仿活力械手的机构组成仿活力械手的机构普通为开链机构，由假设干构件组成。 n-构件数，k-运动副数，Pk-运动副约束数.F=619-(21+32+46+511)=27手指部分的自在度为F=615-45+510=20手臂的自在度为. 二、仿活力械手实例 三指机械手人工肌肉五指机械手.一位英国Shadow Robot Co

7、mpany的员工演示一款被称为“电脑手套CyberGlove的数字式手套.三指机械手四指机械手五指机械手.仿活力械手录像之一.仿活力械手录像之二.仿活力械手录像之三.仿活力械手录像之四.钢琴欣赏-留意手指的动作.弹钢琴的指法-轮指.仿活力械手录像之五.仿活力械手录像之六.仿活力械手录像之七.仿活力械手录像之八.第三节 步行与仿活力构的设计一、有足动物腿部构造与运动分析人腿部运动分析大腿相对股骨关节转动角度小腿相对膝关节转动角度足底运动 足底着地，足底平放，足底推离鸟类腿部运动分析大腿相对股骨关节转动角度小腿相对膝关节转动角度.第三节 步行与仿活力构的设计一、有足动物腿部构造与运动分析四足动物腿

8、部运动分析前腿运动-大腿相对于小腿是向后弯的；后腿运动-大腿相对于小腿是向前弯的。.二、拟人型步行机器人.二、拟人型步行机器人.二、拟人型步行机器人.二、拟人型步行机器人.二、拟人型步行机器人MIT的仿人机器人.二、拟人型步行机器人日本本田asimo仿人机器人.二、拟人型步行机器人日本本田asimo仿人机器人.北京理工大学的仿人机器人打太极拳.北京理工大学的仿人机器人-抓取物体.双足步行运动的分类 南斯拉夫双足步行机器人研讨学者Vukobratovic在1969年提出了著名的ZMPZero Moment Point双足行走运动稳定性概念与判据。其中心思想是要确保单腿支撑期机器人足与地面完全接触

9、，使得各个自在度直接可控，防止出现欠驱动的情形，即：ZMP必需落在支撑凸多边形内部。时至今日，这一方法仍被作为仿人双足步行运动稳定性的重要断定准那么.双足跑步机器人的运动形状.人体骨骼.日本的外骨骼.机器人外骨骼.川崎的可负重30kg的外骨骼.可助瘫患者站立的外骨骼.中国的外骨骼.美国雷神公司的外骨骼.美国雷神公司的外骨骼.美国洛克希德马丁公司的外骨骼.四足走行动作的运动机理与分析四足步行相：三足着地，四足的交替运动顺序小跑相：三足着地与二足着地交替进展跑相：三足着地、二足着地、单足着地交替进展后腿前腿三、多足步行仿活力器人.四足机器人六足机器人多足机器人的腿.2、多足步行仿活力器人实例.三、

10、多足步行仿活力器人.三、多足步行仿活力器人.三、多足步行仿活力器人.第四节 爬行与仿活力构的设计一、仿生爬行机器人机构1、爬壁机器人1)足-掌机构为了使仿生爬行机器人具有近似于爬行动物的运动特性，爬壁机器人对足-掌机构都有特殊的要求。.(1) 腿机构具有足够的刚性和承载才干；(2) 腿机构具有足够大的任务空间；(3) 腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。爬壁机器人对腿足机构的要求可归纳为以下主要方面:.在腿足机构的端点衔接吸掌以后, 对掌机构的要求主要有:(1) 掌的姿态可以调理控制，以便在地壁过渡行走时顺应壁面法线方向； (2) 调理掌机构的驱动安装尽能够安装到机器人机体上； (3) 爬壁机器人在壁面上挪动时, 处于支撑相的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。.第四节 爬行与仿活力构的设计一、仿生爬行机器人机构1、爬壁机器人2)吸附机构真空吸盘、磁铁等。.爬行壁虎机器人.一、仿生爬行机器人机构.一、仿生爬行机器人机构.一、仿生爬行机器人机构.二.蛇行机器人.二.蛇行机器人.二.蛇行机器人.二.蛇行机器人.第五节 飞行与仿活力构的设计一、飞行仿活力器人的翅1、以静电致动方的仿生扑翼1) 扑翼构造 飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、变形胸腔以及伸缩肌肉等为我们设计微型飞行器提供了自创思绪。蜂鸟.两自在度胸腔式