第七章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

第七章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)第一節(jié)仿生學(xué)與仿生機(jī)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(jì)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(jī)械仿生：

研究動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，模仿動(dòng)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(yùn)動(dòng)；運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)方法研制模仿各種生物的運(yùn)動(dòng)裝置。

仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要有：MIT研制的仿生機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

3、分子仿生：

模仿動(dòng)物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)的高級(jí)中樞的智能活動(dòng)、生物體中的信息處理過(guò)程、感覺(jué)器官、細(xì)胞之間的通信、動(dòng)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(jí)智能機(jī)器人、電子蛙眼、鴿眼雷達(dá)系統(tǒng)以及模仿蒼蠅嗅覺(jué)系統(tǒng)的高級(jí)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(dòng)物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)調(diào)控、肢體運(yùn)動(dòng)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(pán)”、鳥(niǎo)類和海龜?shù)葎?dòng)物的星象導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航和重力導(dǎo)航，可為無(wú)人駕駛的機(jī)械裝置在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中指明方向二、仿生機(jī)械學(xué)仿生機(jī)械（bio-simulation

machinery），是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和控制，設(shè)計(jì)出功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械本章重點(diǎn)討論仿生機(jī)械學(xué)仿生機(jī)械學(xué)研究?jī)?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(gè)方面。三、仿生機(jī)械學(xué)中的注意事項(xiàng)

1、了解仿生對(duì)象的具體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性：仿生機(jī)械是建立在對(duì)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(yùn)動(dòng)情況，然后運(yùn)用機(jī)械學(xué)的設(shè)計(jì)與分析方法，完成仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程，是多學(xué)科知識(shí)的交叉與運(yùn)用。

2、避免“機(jī)械式”仿生：生物的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)特性，只是人們開(kāi)展仿生創(chuàng)新活動(dòng)的啟示，不能采取照搬式的機(jī)械仿生飛機(jī)的發(fā)明史經(jīng)歷了從機(jī)械式仿生到科學(xué)仿生的過(guò)程。機(jī)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(jiǎn)單：

生物體的功能與實(shí)現(xiàn)這些功能的結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的進(jìn)化逐漸形成的，有時(shí)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(gè)關(guān)節(jié)，20個(gè)自由度，如果完全仿人手結(jié)構(gòu)，會(huì)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(jī)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(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉、使用壽命長(zhǎng)、制造維護(hù)方便的仿生機(jī)構(gòu)方案。

5、仿生設(shè)計(jì)的過(guò)程也是創(chuàng)新的過(guò)程：要注意形象思維與抽象思維的結(jié)合，注意打破定勢(shì)思維并運(yùn)用發(fā)散思維解決問(wèn)題的能力第二節(jié)仿生機(jī)械手

1、仿生機(jī)械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副及自由度一、仿生機(jī)械手的機(jī)構(gòu)組成仿生機(jī)械手的機(jī)構(gòu)一般為開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，由若干構(gòu)件組成。

n-構(gòu)件數(shù)，k-運(yùn)動(dòng)副數(shù)，pk-運(yùn)動(dòng)副約束數(shù)名稱符號(hào)自由度數(shù)約束數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)副（Ⅴ級(jí)副）R15移動(dòng)副（Ⅴ級(jí)副）P15螺旋副（Ⅴ級(jí)副）H15圓柱副（Ⅳ級(jí)副）C24球銷副（Ⅳ級(jí)副）S’24球面副（Ⅲ級(jí)副）S33球槽副（Ⅱ級(jí)副）SG42SS’=1R=10RSGSS’=5肱骨尺骨橈骨尺橈骨通過(guò)球槽副SG相連手掌簡(jiǎn)化成一個(gè)構(gòu)件，與尺、橈骨和5個(gè)指骨均用能做2個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的IV級(jí)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(jī)械手實(shí)例三指機(jī)械手人工肌肉第三節(jié)步行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(dòng)物卻可以在這些地面上行走自如：有足運(yùn)動(dòng)具有獨(dú)特優(yōu)越性能DANTE-1和DANTE-2。包括8條縮放式足機(jī)構(gòu)，曾進(jìn)行火山考察。一、有足動(dòng)物腿部結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析有足運(yùn)動(dòng)具有較好的機(jī)動(dòng)性（mobility）?？梢钥缭捷^大的障礙一、有足動(dòng)物腿部結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析足端運(yùn)行軌跡的測(cè)定與分析大腿相對(duì)股骨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度小腿相對(duì)膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度足底運(yùn)動(dòng)——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(niǎo)類兩足步行人類兩足步態(tài)的進(jìn)化為什么與鳥(niǎo)類兩足步行不同四足走行動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)機(jī)理與分析四足步行相：三足著地，四足的交替運(yùn)動(dòng)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(jī)器人有足運(yùn)動(dòng)仿生可分為兩足步行仿生和多足運(yùn)動(dòng)仿生兩足步行機(jī)器人四足移動(dòng)機(jī)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(jī)器人1、擬人型步行機(jī)器人的仿生機(jī)構(gòu)—空間開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)髖部需要3個(gè)自由度踝部需要3個(gè)自由度膝部需要1個(gè)彎曲自由度踝部減少1旋轉(zhuǎn)自由度三、多足步行仿生機(jī)器人1、多足步行仿生機(jī)器人的機(jī)構(gòu)一般是四足、六足和八足1、多足步行仿生機(jī)器人的機(jī)構(gòu)四足步行機(jī)器人行走時(shí)一般要保證三足著地，故行走較慢1、多足步行仿生機(jī)器人的機(jī)構(gòu)常用的是六足步行仿生機(jī)器人六足步行仿生機(jī)器人常見(jiàn)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(dòng)相。同相三條腿的動(dòng)作完全一致。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度看是3并聯(lián)機(jī)構(gòu)和6并聯(lián)機(jī)構(gòu)及串聯(lián)開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)的不斷變化的復(fù)合型機(jī)構(gòu)三、多足步行仿生機(jī)器人實(shí)例新西蘭六足步行機(jī)器人hamlet微機(jī)器人（微操作型）第四節(jié)爬行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)爬行這種運(yùn)動(dòng)方式使得機(jī)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(jī)器人分為：爬壁機(jī)器人和蛇形機(jī)器人一、仿生爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu)爬行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：多自由度、多關(guān)節(jié)的協(xié)同動(dòng)作。爬行機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)：由于關(guān)節(jié)自由度多，動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，實(shí)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(jī)器人基本功能壁面吸附功能移動(dòng)功能真空吸附磁吸附推力吸附輪式履帶式足式1、足-掌機(jī)構(gòu)對(duì)腿足機(jī)構(gòu)要求：(1)腿機(jī)構(gòu)具有足夠的剛性和承載能力；(2)腿機(jī)構(gòu)具有足夠大的工作空間；(3)腿機(jī)構(gòu)足端的支撐相直線位移便于控制。對(duì)掌機(jī)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(guò)渡行走時(shí)適應(yīng)壁面法線方向；(2)調(diào)節(jié)掌機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置盡可能安裝到機(jī)器人機(jī)體上；(3)爬壁機(jī)器人在壁面上移動(dòng)時(shí),處于支撐相的掌與足端應(yīng)沒(méi)有限制轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)迫約束。圖7-22復(fù)合足-掌機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)略圖絲杠10把經(jīng)過(guò)齒輪減速的主電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)锳點(diǎn)直線移動(dòng)足掌15的姿態(tài)調(diào)整依賴A處的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)帶輪2，使得與2固連的1擺動(dòng)，通過(guò)連桿16使足掌改變姿態(tài)2、吸附機(jī)構(gòu)要求：保證吸盤(pán)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(jī)器人蛇所具有的彎曲特性是新型機(jī)器人——行星探測(cè)器（稱為蛇形機(jī)器人）的靈感來(lái)源火星探測(cè)的蛇形機(jī)器人第三代模型

NASA

傳統(tǒng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式分為輪式、履帶式兩種，而“機(jī)器蛇”堪稱是世界上第一種靠自己“肌肉”前進(jìn)的機(jī)器人。它像真蛇一樣有一條“脊椎骨”，其實(shí)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(gè)“脊椎單元”上有3條獨(dú)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(guò)時(shí)，它的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)收縮，斷電后又能恢復(fù)到以前的形狀。（二）仿生蛇形機(jī)器人第五節(jié)飛行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一、飛行仿生機(jī)器人的翅膀飛行昆蟲(chóng)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?cè)O(shè)計(jì)微型飛行器提供了借鑒思路。撲翼機(jī)構(gòu)靜電驅(qū)動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)利用壓電雙晶片，在給定電壓下，用較小的力和位移驅(qū)動(dòng)與仿生翅連接的柔性機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)仿生翅實(shí)現(xiàn)拍動(dòng)在上下極板間加上交變電壓，機(jī)翼就會(huì)在交變電場(chǎng)的作用下上下?lián)鋭?dòng)利用電磁馬達(dá)，電磁能量向機(jī)械能量轉(zhuǎn)換靜電驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)的仿生撲翼機(jī)構(gòu)壓電驅(qū)動(dòng)壓電雙晶片的工作原理如上圖所示,驅(qū)動(dòng)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(chǎng)時(shí)，上