仿生原理和創(chuàng)新設(shè)計

1、關(guān)于仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計第1頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四1、機械仿生 研究動物體的運動機理，模仿動物在地面走、跑；地下的行進；墻面上的行進；空中的飛；水中的游等運動。 運用機械設(shè)計方法研制模仿各種生物的運動裝置。 仿生學的研究內(nèi)容主要有：機械仿生、力學仿生、電子仿生、化學仿生、信息與控制仿生。第2頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四2、力學仿生 研究并模仿生物體總體結(jié)構(gòu)與精細結(jié)構(gòu)的靜力學性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對運動和生物體在環(huán)境中運動的動力學性質(zhì)。 例如，模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域

2、，又可用最少的建材承受最大的載荷。 第3頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四3、電子仿生 模仿動物腦和神經(jīng)系統(tǒng)的高級中樞的智能活動、生物體中的信息處理過程、感覺器官、細胞之間通信、動物之間通信等，研制人工神經(jīng)元電子模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高級智能機器人、電子蛙眼、鴿眼雷達系統(tǒng)以及模仿蒼蠅嗅覺系統(tǒng)的高級靈敏小型氣體分析儀等。 第4頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四4、化學仿生 模仿光合作用、生物合成、生物發(fā)電和生物發(fā)光等。 例如利用研究生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成，研制了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千

3、萬分之一微克，便可誘殺一種雄蛾蟲。第5頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四5、信息與控制仿生 模仿動物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)調(diào)控、肢體運動控制、定向與導(dǎo)航等。例如研究蝙蝠和海豚的超聲波回聲定位系統(tǒng)、蜜蜂的“天然羅盤”、鳥類和海龜?shù)葎游锏男窍髮?dǎo)航、電磁導(dǎo)航和重力導(dǎo)航，可為無人駕駛的機械裝置在運動過程中指明方向。第6頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四二、仿生機械學 仿生機械，是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、運動和控制，設(shè)計出功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。本章重點討論仿生機械學。 仿生機械學研究內(nèi)容主要有功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生以及控制仿生等幾個方面。 第7

4、頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四三、仿生機械學中的注意事項1、了解仿生對象的具體結(jié)構(gòu)和運動特性 仿生機械是建立在對模仿生物體的解剖基礎(chǔ)上，了解其具體結(jié)構(gòu)，用高速影象系統(tǒng)記錄與分析其運動情況，然后運用機械學的設(shè)計與分析方法，完成仿生機械的設(shè)計過程，是多學科知識的交叉與運用。第8頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四 2、避免“機械式”仿生 生物的結(jié)構(gòu)與運動特性，只是人們開展仿生創(chuàng)新活動的啟示，不能采取照搬式的機械仿生。 飛機的發(fā)明史經(jīng)歷了從機械式仿生到科學仿生的過程。 機械式的仿生是研究仿生學的大忌之一。第9頁，共38頁，2022年，5月20日，18

5、點59分，星期四3、注重功能目標，力求結(jié)構(gòu)簡單 生物體的功能與實現(xiàn)這些功能的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過千萬年的進化逐漸形成的，有時追求結(jié)構(gòu)仿生的完全一致性是不必要的。 如人的每只手有14個關(guān)節(jié)，20個自由度，如果完全仿人手結(jié)構(gòu)，會造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制也困難的局面。所以仿二指和三指的機械手在工程上應(yīng)用較多。第10頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四4、仿生的結(jié)果具有多值性 要選擇結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉、使用壽命長和制造維護方便的仿生機構(gòu)方案。5、仿生設(shè)計的過程也是創(chuàng)新的過程 要注意形象思維與抽象思維的結(jié)合，注意打破定勢思維并運用發(fā)散思維解決問題的能力。第11頁，共38頁，2022年，5

6、月20日，18點59分，星期四第二節(jié) 仿生機械手 1、仿生機械手機構(gòu)的運動副及自由度一、仿生機械手的機構(gòu)組成 仿生機械手的機構(gòu)一般為開鏈機構(gòu)，由若干構(gòu)件組成。 n-構(gòu)件數(shù)，k-運動副數(shù)，pk-運動副約束數(shù)第12頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四SS=1R=10RCESS=4肱骨尺骨橈骨F=619-(21+32+46+511)=27同理可求得手指部分的自由度為：F=615-（45+510）=20第13頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四 二、仿生機械手實例 三指機械手人工肌肉第14頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四三指機械手四

7、指機械手第15頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四第三節(jié) 步行與仿生機構(gòu)的設(shè)計一、有足動物腿部結(jié)構(gòu)與運動分析 足端運行軌跡的測定與分析 大腿相對股骨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度 小腿相對膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度 足底運動 足底著地，足底平放，足底推離第16頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四足端軌跡落地相抬腿相抬腿相人類兩足步行鳥類兩足步行人類兩足步態(tài)的進化為什么與鳥類兩足步行不同？第17頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四兩足步行機器人第18頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四第19頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59

8、分，星期四四足走行動作的運動機理與分析四足步行相：三足著地，四足的交替運動順序小跑相：三足著地與二足著地交替進行跑相：三足著地、二足著地、單足著地交替進行后腿前腿第20頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四四足機器人六足機器人多足機器人的腿第21頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四2、多足步行仿生機器人實例第22頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四第23頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四第四節(jié) 爬行與仿生機構(gòu)的設(shè)計一、仿生爬行機器人機構(gòu)1、爬壁機器人1)足-掌機構(gòu) 為了使仿生爬行機器人具有近似于爬行動物的運

9、動特性，爬壁機器人對足-掌機構(gòu)都有特殊的要求。爬壁機器人對腿足機構(gòu)的要求可歸納為以下主要方面：第24頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四 (1) 腿機構(gòu)具有足夠的剛性和承載能力； (2) 腿機構(gòu)具有足夠大的工作空間； (3) 腿機構(gòu)足端的支撐相直線位移便于控制。 (2) 調(diào)節(jié)掌機構(gòu)的驅(qū)動裝置盡可能安裝到機器人機體上； (3) 爬壁機器人在壁面上移動時, 處于支撐相的掌與足端應(yīng)沒有限制轉(zhuǎn)動的強迫約束。 在腿足機構(gòu)的端點連接吸掌以后, 對掌機構(gòu)的要求主要有： (1) 掌的姿態(tài)可以調(diào)節(jié)控制，以便在地壁過渡行走時適應(yīng)壁面法線方向；第25頁，共38頁，2022年，5月20日，18點

10、59分，星期四爬行壁虎機器人第26頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四蛇行機器人第27頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四第五節(jié) 飛行與仿生機構(gòu)的設(shè)計一、飛行仿生機器人的翅1、以靜電致動方的仿生撲翼1) 撲翼結(jié)構(gòu) 飛行昆蟲的特征如外部骨骼、彈性關(guān)節(jié)、變形胸腔以及伸縮肌肉等為我們設(shè)計微型飛行器提供了借鑒思路。第28頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四第29頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四二、飛行仿生機器 人實例第30頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四微型飛行機器人第31頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四蒼蠅機器人第32頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四第六節(jié) 游動與仿生機構(gòu)的設(shè)計一、魚類擺動推進的泳動力學原理 身體波浪式擺動推進尾鰭擺動式推進第33頁，共38頁，2022年，5月20日，18點59分，星期四二、魚類推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第34頁，共38頁，2