仿生原理与创新设计课件

第七章仿生原理与创新设计第一节仿生学与仿生机械学概述一、仿生学

研究生物系统的结构和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学,称为仿生学（bionics）。1、机械仿生研究动物体的运动机理，模仿动物在地面走、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仿各种生物的运动装置。仿生学的研究内容主要有：机械仿生、力学仿生、电子仿生、化学仿生、信息与控制仿生。2、力学仿生研究并模仿生物体总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，模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，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。3、电子仿生模仿动物脑和神经系统的高级中枢的智能活动、生物体中的信息处理过程、感觉器官、细胞之间通信、动物之间通信等，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仿苍蝇嗅觉系统的高级灵敏小型气体分析仪等。4、化学仿生模仿光合作用、生物合成、生物发电和生物发光等。例如利用研究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。5、信息与控制仿生模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等。例如研究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装置在运动过程中指明方向。二、仿生机械学

仿生机械，是模仿生物的形态、结构、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。本章重点讨论仿生机械学。

仿生机械学研究内容主要有功能仿生、结构仿生、材料仿生以及控制仿生等几个方面。三、仿生机械学中的注意事项1、了解仿生对象的具体结构和运动特性仿生机械是建立在对模仿生物体的解剖基础上，了解其具体结构，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，完成仿生机械的设计过程，是多学科知识的交叉与运用。2、避免“机械式”仿生生物的结构与运动特性，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。飞机的发明史经历了从机械式仿生到科学仿生的过程。机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。3、注重功能目标，力求结构简单生物体的功能与实现这些功能的结构是经过千万年的进化逐渐形成的，有时追求结构仿生的完全一致性是不必要的。如人的每只手有14个关节，20个自由度，如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、控制也困难的局面。所以仿二指和三指的机械手在工程上应用较多。4、仿仿生生的的结结果果具具有有多多值值性性要选择择结构构简单单、工工作可可靠、、成本本低廉廉、使使用寿寿命长长和制制造维维护方方便的的仿生生机构构方案案。5、仿生生设计计的过过程也也是创创新的的过程程要注意意形象象思维维与抽抽象思思维的的结合合，注注意打打破定定势思思维并并运用用发散散思维维解决决问题题的能能力。。第二节节仿仿生生机械械手1、仿生生机械械手机机构的的运动动副及及自由由度一、仿仿生机机械手手的机机构组组成仿生机机械手手的机机构一一般为为开链链机构构，由由若干干构件件组成成。n-构件数数，k-运动副副数，，pk-运动副副约束束数SS’=1R=10RCESS’=4肱骨尺骨桡骨F=6×19-(2×1+3×2+4×6+5×11)=27同理可可求得得手指指部分分的自自由度度为：：F=6×15-（4×5+5×10）=20二、仿仿生机机械手手实例例三指机机械手手人工肌肌肉三指机机械手手四指机机械手手第三节节步步行与与仿生生机构构的设设计一、有有足动动物腿腿部结结构与与运动动分析析足端运运行轨轨迹的的测定定与分分析大腿相相对股股骨关关节转转动角角度小腿相相对膝膝关节节转动动角度度足底运运动——足底着着地，，足底底平放放，足足底推推离足端轨轨迹落地相相抬腿相相抬腿相相人类两两足步步行鸟类两两足步步行人类两两足步步态的的进化化为什什么与与鸟类类两足足步行行不同同？两足步行机器人四足走走行动动作的的运动动机理理与分分析四足步步行相相：三三足着着地，，四足足的交交替运运动顺顺序小跑相相：三三足着着地与与二足足着地地交替替进行行跑相：：三足足着地地、二二足着着地、、单足足着地地交替替进行行后腿前腿四足机机器人人六足机机器人人多足机机器人人的腿腿2、多足足步行行仿生生机器器人实实例第四节节爬爬行与与仿生生机构构的设设计一、仿仿生爬爬行机机器人人机构构1、爬壁壁机器器人1)足-掌机构构为了使使仿生生爬行行机器器人具具有近近似于于爬行行动物物的运运动特特性，，爬壁壁机器器人对对足-掌机构构都有有特殊殊的要要求。。爬壁壁机器器人对对腿足足机构构的要要求可可归纳纳为以以下主主要方方面：：(1)腿机构构具有有足够够的刚刚性和和承载载能力力；(2)腿机构构具有有足够够大的的工作作空间间；(3)腿机构构足端端的支支撑相相直线线位移移便于于控制制。(2)调节掌掌机构构的驱驱动装装置尽尽可能能安装装到机机器人人机体体上；；(3)爬壁机机器人人在壁壁面上上移动动时,处于支支撑相相的掌掌与足足端应应没有有限制制转动动的强强迫约约束。。在腿足足机构构的端端点连连接吸吸掌以以后,对掌机机构的的要求求主要要有：：(1)掌的姿姿态可可以调调节控控制，，以便便在地地壁过过渡行行走时时适应应壁面面法线线方向向；爬行壁壁虎机机器人人蛇行机机器人人第五节节飞飞行行与仿仿生机机构的的设计计一、飞飞行仿仿生机机器人人的翅翅1、以静静电致致动方方的仿仿生扑扑翼1)扑翼结结构飞行昆昆虫的的特征征如外外部骨骨骼、、弹性性关节节、变变形胸胸腔以以及伸伸缩肌肌肉等等为我我们设设计微微型飞飞行器器提供供了借借鉴思思路。。二、飞飞行仿仿生机机器人实例例微型飞飞行机机器人人苍蝇机机器人人第六