第七章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計

第七章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計第一節(jié)仿生學(xué)與仿生機械學(xué)概述一、仿生學(xué)研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征、并以此為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的科學(xué),稱為仿生學(xué)（bionics）。1、機械仿生：

研究動物體的運動機理，模仿動物的地面走、跑、地下的行進(jìn)、墻面上的行進(jìn)、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(xué)的研究內(nèi)容主要有：MIT研制的仿生機器人恐龍2、力學(xué)仿生：研究并模仿生物體總體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)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(xué)性質(zhì)。

3、分子仿生：

模仿動物的腦和神經(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(xì)胞之間的通信、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(dá)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。

4、化學(xué)仿生：模仿光合作用、生物合成、生物發(fā)電、生物發(fā)光等。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二、仿生機械學(xué)仿生機械（bio-simulation

machinery），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(xué)仿生機械學(xué)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。三、仿生機械學(xué)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(xué)的設(shè)計與分析方法，完成仿生機械的設(shè)計過程，是多學(xué)科知識的交叉與運用。

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(xué)仿生的過程。機械式的仿生是研究仿生學(xué)的大忌之一。

3、注重功能目標(biāo)，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(jìn)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。

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、制造維護(hù)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)名稱符號自由度數(shù)約束數(shù)轉(zhuǎn)動副（Ⅴ級副）R15移動副（Ⅴ級副）P15螺旋副（Ⅴ級副）H15圓柱副（Ⅳ級副）C24球銷副（Ⅳ級副）S’24球面副（Ⅲ級副）S33球槽副（Ⅱ級副）SG42SS’=1R=10RSGSS’=5肱骨尺骨橈骨尺橈骨通過球槽副SG相連手掌簡化成一個構(gòu)件，與尺、橈骨和5個指骨均用能做2個相對轉(zhuǎn)動的IV級副S’相連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）=20二、仿生機械手實例三指機械手人工肌肉第三節(jié)步行與仿生機構(gòu)的設(shè)計據(jù)調(diào)查，地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛到達(dá)，而很多足式動物卻可以在這些地面上行走自如：有足運動具有獨特優(yōu)越性能DANTE-1和DANTE-2。包括8條縮放式足機構(gòu)，曾進(jìn)行火山考察。一、有足動物腿部結(jié)構(gòu)與運動分析有足運動具有較好的機動性（mobility）。可以跨越較大的障礙一、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(jìn)化為什么與鳥類兩足步行不同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(jìn)行跑相：三足著地、二足著地、單足著地交替進(jìn)行后腿前腿二、擬人型步行機器人有足運動仿生可分為兩足步行仿生和多足運動仿生兩足步行機器人四足移動機器人有更好的適應(yīng)性，也最接近人類，故也稱之為擬人型步行仿生機器人1、擬人型步行機器人的仿生機構(gòu)—空間開鏈機構(gòu)髖部需要3個自由度踝部需要3個自由度膝部需要1個彎曲自由度踝部減少1旋轉(zhuǎn)自由度三、多足步行仿生機器人1、多足步行仿生機器人的機構(gòu)一般是四足、六足和八足1、多足步行仿生機器人的機構(gòu)四足步行機器人行走時一般要保證三足著地，故行走較慢1、多足步行仿生機器人的機構(gòu)常用的是六足步行仿生機器人六足步行仿生機器人常見的步行方式是三角步態(tài)：一側(cè)的前足、后足和另一側(cè)的中足共同組成支撐相或擺動相。同相三條腿的動作完全一致。從機構(gòu)學(xué)的角度看是3并聯(lián)機構(gòu)和6并聯(lián)機構(gòu)及串聯(lián)開鏈機構(gòu)的不斷變化的復(fù)合型機構(gòu)三、多足步行仿生機器人實例新西蘭六足步行機器人hamlet微機器人（微操作型）第四節(jié)爬行與仿生機構(gòu)的設(shè)計爬行這種運動方式使得機器人可以具有更好的與接觸面的附著能力和越障能力。爬行機器人分為：爬壁機器人和蛇形機器人一、仿生爬行機器人機構(gòu)爬行機構(gòu)的特點：多自由度、多關(guān)節(jié)的協(xié)同動作。爬行機構(gòu)缺點：由于關(guān)節(jié)自由度多，動力學(xué)模型復(fù)雜，實現(xiàn)困難所以工程中應(yīng)用較少。但是有廣泛的應(yīng)用和研究前景（一）爬壁機器人基本功能壁面吸附功能移動功能真空吸附磁吸附推力吸附輪式履帶式足式1、足-掌機構(gòu)對腿足機構(gòu)要求：(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。對掌機構(gòu)的要求有:(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；(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。圖7-22復(fù)合足-掌機構(gòu)結(jié)構(gòu)略圖絲杠10把經(jīng)過齒輪減速的主電動機旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)锳點直線移動足掌15的姿態(tài)調(diào)整依賴A處的電動機帶動帶輪2，使得與2固連的1擺動，通過連桿16使足掌改變姿態(tài)2、吸附機構(gòu)要求：保證吸盤組在垂直于工作面進(jìn)入吸附狀態(tài)導(dǎo)向支撐板（二）仿生蛇形機器人蛇所具有的彎曲特性是新型機器人——行星探測器（稱為蛇形機器人）的靈感來源火星探測的蛇形機器人第三代模型

NASA

傳統(tǒng)機器人的運動方式分為輪式、履帶式兩種，而“機器蛇”堪稱是世界上第一種靠自己“肌肉”前進(jìn)的機器人。它像真蛇一樣有一條“脊椎骨”，其實是一串模塊化的“脊椎單元”，它們像拼插玩具一樣緊緊地咬合在一起。每個“脊椎單元”上有3條獨立的“肌肉”。這些“肌肉”由鎳鈦合金金屬絲制成。鎳鈦合金具有“形狀記憶”的特殊本領(lǐng)：當(dāng)有電流通過時，它的晶體結(jié)構(gòu)會收縮，斷電后又能恢復(fù)到以前的形狀。（二）仿生蛇形機器人第五節(jié)飛行與仿生機構(gòu)的設(shè)計一、飛行仿生機器人的翅膀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。撲翼機構(gòu)靜電驅(qū)動電磁驅(qū)動壓電驅(qū)動利用壓電雙晶片，在給定電壓下，用較小的力和位移驅(qū)動與仿生翅連接的柔性機構(gòu)，帶動仿生翅實現(xiàn)拍動在上下極板間加上交變電壓，機翼就會在交變電場的作用下上下?lián)鋭永秒姶篷R達(dá)，電磁能量向機械能量轉(zhuǎn)換靜電驅(qū)動壓電驅(qū)動的仿生撲翼機構(gòu)壓電驅(qū)動壓電雙晶片的工作原理如上圖所示,驅(qū)動器的中間是彈性層,通常由鋼、鋁等材料制成,彈性層的上部和下部分別貼有壓電陶瓷片。給懸臂梁施加如圖所示電場時，上