仿生原理與創(chuàng)新設計 課件

第七章仿生原理與創(chuàng)新設計第一節(jié)仿生學與仿生機械學概述一、仿生學

研究生物系統(tǒng)的結構和特征、并以此為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統(tǒng)構成的科學,稱為仿生學（bionics）。第七章仿生原理與創(chuàng)新設計第一節(jié)仿生學與仿生機械學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。1、機械仿生仿生學的研究內(nèi)容主要有：機械仿生、力學仿生、電子2、力學仿生研究并模仿生物體總體結構與精細結構的靜力學性質，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。例如，模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。2、力學仿生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、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。3、電子仿生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，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺一種雄蛾蟲。4、化學仿生5、信息與控制仿生模仿動物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)調控、肢體運動控制、定向與導航等。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Ш?、電磁導航和重力導航，可為無人駕駛的機械裝置在運動過程中指明方向。5、信息與控制仿生二、仿生機械學

仿生機械，是模仿生物的形態(tài)、結構、運動和控制，設計出功能更集中、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、結構仿生、材料仿生以及控制仿生等幾個方面。二、仿生機械學仿生機械，是模仿生物的形態(tài)、結構、運動三、仿生機械學中的注意事項1、了解仿生對象的具體結構和運動特性仿生機械是建立在對模仿生物體的解剖基礎上，了解其具體結構，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計與分析方法，完成仿生機械的設計過程，是多學科知識的交叉與運用。三、仿生機械學中的注意事項1、了解仿生對象的具體結構和運動特2、避免“機械式”仿生生物的結構與運動特性，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。2、避免“機械式”仿生3、注重功能目標，力求結構簡單生物體的功能與實現(xiàn)這些功能的結構是經(jīng)過千萬年的進化逐漸形成的，有時追求結構仿生的完全一致性是不必要的。如人的每只手有14個關節(jié)，20個自由度，如果完全仿人手結構，會造成結構復雜、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用較多。3、注重功能目標，力求結構簡單4、仿生的結果具有多值性要選擇結構簡單、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方案。5、仿生設計的過程也是創(chuàng)新的過程要注意形象思維與抽象思維的結合，注意打破定勢思維并運用發(fā)散思維解決問題的能力。4、仿生的結果具有多值性5、仿生設計的過程也是創(chuàng)新的過程第二節(jié)仿生機械手

1、仿生機械手機構的運動副及自由度一、仿生機械手的機構組成

仿生機械手的機構一般為開鏈機構，由若干構件組成。

n-構件數(shù)，k-運動副數(shù)，pk-運動副約束數(shù)第二節(jié)仿生機械手1、仿生機械手機構的運動副及自由度SS’=1R=10RCESS’=4肱骨尺骨橈骨F=6×19-(2×1+3×2+4×6+5×11)=27同理可求得手指部分的自由度為：F=6×15-（4×5+5×10）=20SS’=1R=10RCESS’=4肱骨尺骨橈骨F=6×19-

二、仿生機械手實例三指機械手人工肌肉二、仿生機械手實例三指機械手人工肌肉三指機械手四指機械手三指機械手四指機械手第三節(jié)步行與仿生機構的設計一、有足動物腿部結構與運動分析

足端運行軌跡的測定與分析大腿相對股骨關節(jié)轉動角度小腿相對膝關節(jié)轉動角度足底運動——

足底著地，足底平放，足底推離第三節(jié)步行與仿生機構的設計一、有足動物腿部結構與運動分析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？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兩足步行機器人兩仿生原理與創(chuàng)新設計課件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，四足的交替四足機器人六足機器人多足機器人的腿四足機器人六足機器人多足機器人的腿2、多足步行仿生機器人實例2、多足步行仿生機器人實例仿生原理與創(chuàng)新設計課件第四節(jié)爬行與仿生機構的設計一、仿生爬行機器人機構1、爬壁機器人1)足-掌機構為了使仿生爬行機器人具有近似于爬行動物的運動特性，爬壁機器人對足-掌機構都有特殊的要求。爬壁機器人對腿足機構的要求可歸納為以下主要方面：第四節(jié)爬行與仿生機構的設計一、仿生爬行機器人機構1、爬壁機(1)腿機構具有足夠的剛性和承載能力；

(2)腿機構具有足夠大的工作空間；

(3)腿機構足端的支撐相直線位移便于控制。(2)調節(jié)掌機構的驅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沒有限制轉動的強迫約束。

在腿足機構的端點連接吸掌以后,對掌機構的要求主要有：

(1)掌的姿態(tài)可以調節(jié)控制，以便在地壁過渡行走時適應壁面法線方向；(1)腿機構具有足夠的剛性和承載能力；(2)調爬行壁虎機器人爬行壁虎機器人蛇行機器人蛇行機器人第五節(jié)飛行與仿生機構的設計一、飛行仿生機器人的翅1、以靜電致動方的仿生撲翼1)撲翼結構飛行昆蟲的特征如外部骨骼、彈性關節(jié)、變形胸腔以及伸縮肌肉等為我們設計微型飛行器提供了借鑒思路。第五節(jié)飛行與仿生機構的設計一、飛行仿生機器人的翅1、以靜仿生原理與創(chuàng)新設計課件二、飛行仿生機器人實例二、飛行仿生機器微型飛行機器人微型飛行機器人蒼蠅機器人蒼蠅機器人第六節(jié)游動與仿生機構的設計一、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六節(jié)游動與仿生機構的設計一、魚類擺動推進的泳動力學原理二、魚類推進系統(tǒng)的結構二、魚類推進系統(tǒng)的結構三、游動仿生機器人實例三、游動仿生機器人實例仿生原理與創(chuàng)新設計課件仿生原理與創(chuàng)新設計課件演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第七章仿生原理與創(chuàng)新設計第一節(jié)仿生學與仿生機械學概述一、仿生學

研究生物系統(tǒng)的結構和特征、并以此為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統(tǒng)構成的科學,稱為仿生學（bionics）。第七章仿生原理與創(chuàng)新設計第一節(jié)仿生學與仿生機械學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。1、機械仿生仿生學的研究內(nèi)容主要有：機械仿生、力學仿生、電子2、力學仿生研究并模仿生物體總體結構與精細結構的靜力學性質，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。例如，模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。2、力學仿生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、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。3、電子仿生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，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺一種雄蛾蟲。4、化學仿生5、信息與控制仿生模仿動物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)調控、肢體運動控制、定向與導航等。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Ш?、電磁導航和重力導航，可為無人駕駛的機械裝置在運動過程中指明方向。5、信息與控制仿生二、仿生機械學

仿生機械，是模仿生物的形態(tài)、結構、運動和控制，設計出功能更集中、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、結構仿生、材料仿生以及控制仿生等幾個方面。二、仿生機械學仿生機械，是模仿生物的形態(tài)、結構、運動三、仿生機械學中的注意事項1、了解仿生對象的具體結構和運動特性仿生機械是建立在對模仿生物體的解剖基礎上，了解其具體結構，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計與分析方法，完成仿生機械的設計過程，是多學科知識的交叉與運用。三、仿生機械學中的注意事項1、了解仿生對象的具體結構和運動特2、避免“機械式”仿生生物的結構與運動特性，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。2、避免“機械式”仿生3、注重功能目標，力求結構簡單生物體的功能與實現(xiàn)這些功能的結構是經(jīng)過千萬年的進化逐漸形成的，有時追求結構仿生的完全一致性是不必要的。如人的每只手有14個關節(jié)，20個自由度，如果完全仿人手結構，會造成結構復雜、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用較多。3、注重功能目標，力求結構簡單4、仿生的結果具有多值性要選擇結構簡單、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方案。5、仿生設計的過程也是創(chuàng)新的過程要注意形象思維與抽象思維的結合，注意打破定勢思維并運用發(fā)散思維解決問題的能力。4、仿生的結果具有多值性5、仿生設計的過程也是創(chuàng)新的過程第二節(jié)仿生機械手

1、仿生機械手機構的運動副及自由度一、仿生機械手的機構組成

仿生機械手的機構一般為開鏈機構，由若干構件組成。

n-構件數(shù)，k-運動副數(shù)，pk-運動副約束數(shù)第二節(jié)仿生機械手1、仿生機械手機構的運動副及自由度SS’=1R=10RCESS’=4肱骨尺骨橈骨F=6×19-(2×1+3×2+4×6+5×11)=27同理可求得手指部分的自由度為：F=6×15-（4×5+5×10）=20SS’=1R=10RCESS’=4肱骨尺骨橈骨F=6×19-

二、仿生機械手實例三指機械手人工肌肉二、仿生機械手實例三指機械手人工肌肉三指機械手四指機械手三指機械手四指機械手第三節(jié)步行與仿生機構的設計一、有足動物腿部結構與運動分析

足端運行軌跡的測定與分析大腿相對股骨關節(jié)轉動角度小腿相對膝關節(jié)轉動角度足底運動——

足底著地，足底平放，足底推離第三節(jié)步行與仿生機構的設計一、有足動物腿部結構與運動分析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？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兩足步行機器人兩仿生原理與創(chuàng)新設計課件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，四足的交替四足機器人六足機器人多足機器人的腿四足機器人六足機器人多足機器人的腿2、多足步行仿生機器人實例2、多足步行仿生機器人實例仿生原理與創(chuàng)新設計課件第四節(jié)爬行與仿生機構的設計一、仿生爬行機器人機構1、爬壁機器人1)足-掌機構為了使仿生爬行機器人具有近似于爬行動物的運動特性，爬壁機器人對足-掌機構都有特殊的要求。爬壁機器人對腿足機構的要求可歸納為以下主要方面：第四節(jié)爬行與仿生機構的設計一、仿生爬行機器人機構1、爬壁機(1)腿機構具有足夠的剛性和承載能力；

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