第九章 仿生原理及创新设计.ppt

* * 第九章 仿生原理与创新设计 第一节 仿生学与仿生机械学概述 一、仿生学 研究生物系统的结构和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学,称为仿生学（bionics）。 在仿生学研究中存在三个相关的方面，即生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。 1、机械仿生 研究动物体的运动机理，模仿动物的地面走、跑、地下的行进、墙面上的行进、空中的飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制模仿各种生物的运动装置。 仿生学的研究内容主要有： 2、力学仿生 研究并模仿生物体总体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。 例如，模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。 3、电子仿生 模仿动物的脑和神经系统的高级中枢的智能活动、生物体中的信息处理过程、感觉器官、细胞之间的通信、动物之间通信等，研制人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高级灵敏小型气体分析仪等。 4、化学仿生 模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等。 例如利用研究生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成，研制了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀一种雄蛾虫。 5、信息与控制仿生 模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等。例如研究蝙蝠和海豚的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、电磁导航和重力导航，可为无人驾驶的机械装置在运动过程中指明方向。 二、仿生机械学 仿生机械（bio-simulation?machinery），是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。本章重点讨论仿生机械学 仿生机械学研究内容主要有功能仿生、结构仿生、材料仿生以及控制仿生等几个方面。 三、仿生机械学中的注意事项 1、了解仿生对象的具体结构和运动特性： 仿生机械是建立在对模仿生物体的解剖基础上，了解其具体结构，用高速影象系统记录与分析其运动情况，然后运用机械学的设计与分析方法，完成仿生机械的设计过程，是多学科知识的交叉与运用。 2、避免“机械式”仿生 生物的结构与运动特性，只是人们开展仿生创新活动的启示，不能采取照搬式的机械仿生。 飞机的发明史经历了从机械式仿生到科学仿生的过程。 机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。 3、注重功能目标，力求结构简单 生物体的功能与实现这些功能的结构是经过千万年的进化逐渐形成的，有时追求结构仿生的完全一致性是不必要的。 如人的每只手有14个关节，20个自由度，如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、控制也困难的局面。所以仿二指和三指的机械手在工程上应用较多。 4、仿生的结果具有多值性： 要选择结构简单、工作可靠、成本低廉、使用寿命长、制造维护方便的仿生机构方案。 5、仿生设计的过程也是创新的过程： 要注意形象思维与抽象思维的结合，注意打破定势思维并运用发散思维解决问题的能力 第二节 仿生机械手 1、仿生机械手机构的运动副及自由度 一、仿生机械手的机构组成 仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干 构件组成。 n-构件数，k-运动副数，pk-运动副约束数 S S’=1 R=10 R CE S S’=4 肱骨 尺骨 桡骨 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为 F=6×15-（4×5+5×10）=20 二、仿生机械手实例 三指机械手 人工肌肉 三指机械手 四指机械手 第三节 步行与仿生机构的设计 一、有足动物腿部结构与运动分析 足端运行轨迹的测定与分析 大腿相对股骨关节转动角度 小腿相对膝关节转动角度 足底运动 —— 足底着地，足底平放，足底推离 足端轨迹 落地相 抬腿相 抬腿相 人类两足步行 鸟类两足步行 人类两足步态的进化为什么与鸟类两足步行不同 两 足 步 行 机 器 人 四足走行动作的运动机理与分析 四足步行相：三足着地，四足的交替运动顺序 小跑相：三足着地与二足着地交替进行 跑相：三足着地、二足着地、单足着地交替进行 后腿 前腿 四足机器人 六足机器人 多足机器人的腿 2、多足步行仿生机器人实例 第四节 爬行与仿生机构的设计 一、仿生爬行机器人机构 1、爬壁机器人 1)足-掌机构 为了使仿生爬行机器