第七章仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、機(jī)械仿生研究動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，模仿動(dòng)物在地面走、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：機(jī)械仿生、力學(xué)仿生、電子仿生、化學(xué)仿生、信息與控制仿生。目前一頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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)。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，又可用最少的建材承受最大的載荷。目前二頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)3、電子仿生模仿動(dòng)物腦和神經(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程、感覺器官、細(xì)胞之間通信、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)以及模仿蒼蠅嗅覺系統(tǒng)的高級(jí)靈敏小型氣體分析儀等。目前三頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)4、化學(xué)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(jī)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。目前四頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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”、鳥類和海龜?shù)葎?dòng)物的星象導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航和重力導(dǎo)航，可為無人駕駛的機(jī)械裝置在運(yùn)動(dòng)過程中指明方向。目前五頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)二、仿生機(jī)械學(xué)

仿生機(jī)械，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。目前六頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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)過程，是多學(xué)科知識(shí)的交叉與運(yùn)用。目前七頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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)仿生的過程。機(jī)械式的仿生是研究仿生學(xué)的大忌之一。目前八頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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)過千萬年的進(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。目前九頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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、使用壽命長和制造維護(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(shì)思維并運(yùn)用發(fā)散思維解決問題的能力。目前十頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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)目前十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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）=20目前十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)

二、仿生機(jī)械手實(shí)例三指機(jī)械手人工肌肉目前十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)三指機(jī)械手四指機(jī)械手目前十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)第三節(jié)步行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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，足底推離目前十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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？目前十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)兩足步行機(jī)器人目前十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)目前十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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)行后腿前腿目前十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)四足機(jī)器人六足機(jī)器人多足機(jī)器人的腿目前二十頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)2、多足步行仿生機(jī)器人實(shí)例目前二十一頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)目前二十二頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)第四節(jié)爬行與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)一、仿生爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu)1、爬壁機(jī)器人1)足-掌機(jī)構(gòu)為了使仿生爬行機(jī)器人具有近似于爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性，爬壁機(jī)器人對(duì)足-掌機(jī)構(gòu)都有特殊的要求。爬壁機(jī)器人對(duì)腿足機(jī)構(gòu)的要求可歸納為以下主要方面：目前二十三頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)(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。(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)沒有限制轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)迫約束。

在腿足機(jī)構(gòu)的端點(diǎn)連接吸掌以后,對(duì)掌機(jī)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(shí)適應(yīng)壁面法線方向；目前二十四頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)爬行壁虎機(jī)器人目前二十五頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)蛇行機(jī)器人目前二十六頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)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1、以靜電致動(dòng)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?cè)O(shè)計(jì)微型飛行器提供了借鑒思路。目前二十七頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)目前二十八頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)二、飛行仿生機(jī)器人實(shí)例目前二十九頁\總數(shù)三十三頁\編于十七點(diǎn)微型飛行機(jī)