第七章 仿生原理与创新设计
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第七章
一、仿生学
仿生原理与创新设计
第一节 仿生学与仿生机械学概述
研究生物系统的结构和特征、 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、 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）。 科学,称为仿生学（bionics）。
仿生学的研究内容主要有： 仿生学的研究内容主要有： 1、机械仿生： 机械仿生： 研究动物体的运动机理， 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 地下的行进、墙面上的行进、 飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制 水中的游等运动； 模仿各种生物的运动装置。 模仿各种生物的运动装置。
CE S’=1 S’=4 R=10
F = 6n − ∑kpk
k =1
5
pI = 0, pI1 = 1 pIII = 2, pIV = 6, pV = 11, ,
F=6×19-(2×1+3×2+4×6+5× 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=6×15F=6×15-（4×5+5×10）=20 5+5×10）
2、力学仿生： 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， 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。 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， 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， 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。 中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。
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 足底着地，足底平放， 足底运动 —— 足底着地，足底平放，足底推离
人类两足步行
鸟类两足步行
ϕ2
ϕ1
抬腿相 足端轨迹 落地相 人类两足步态的进化为什么与鸟类两足步行不同
3、电子仿生： 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、 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， 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、 神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、 电子蛙眼、 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。 统的高级灵敏小型气体分析仪等。
5、信息与控制仿生： 信息与控制仿生： 模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、 模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、 定向与导航等。 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” 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， 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（biomachinery）， ），是 仿生机械（bio-simulation machinery），是 模仿生物的形态、结构、运动和控制， 模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出 功能更集中、 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 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、 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。 材料仿生以及控制仿生等几个方面。
2）仿生扑翼机构设计
Hale Waihona Puke Baidu
二、飞行仿生机器 人实例
微型飞行机器人
苍蝇机器人
第六节 游动与仿生机构的设计
一、鱼类摆动推进的泳动力学原理
身体波浪式摆动推进
尾鳍摆动式推进
二、鱼类推进系统的结构
三、游动仿生机器人实例
本章完
4、仿生的结果具有多值性： 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、 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。 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： 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， 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
3、注重功能目标，力求结构简单： 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， 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。 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， 如人的每只手有14个关节，20个自由度， 14个关节 个自由度 如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、 如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、控制 也困难的局面。 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。 工程上应用较多。
(2) 调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器 人机体上； 人机体上； 爬壁机器人在壁面上移动时, (3) 爬壁机器人在壁面上移动时, 处于支撑相 的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。 的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。
爬行壁虎机器人
蛇行机器人
第五节
飞行与仿生机构的设计
一、飞行仿生机器人的翅 1、以静电致动方的仿生扑翼 1) 扑翼结构 飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、 飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、变 形胸腔以及伸缩肌肉等为我们设计微型飞行器 提供了借鉴思路。 提供了借鉴思路。
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， 四足步行相：三足着地，四足的交替运动顺序 小跑相： 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、 跑相：三足着地、二足着地、单足着地交替进行
前腿
后腿
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
4、化学仿生： 化学仿生： 模仿光合作用、生物合成、生物发电、 模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物 发光等。 发光等。 例如利用研究生物体中酶的催化作用、生物 例如利用研究生物体中酶的催化作用、 膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物 膜的选择性、通透性、 的分析和合成，研制了一种类似有机化合物， 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， 在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀 一种雄蛾虫。 一种雄蛾虫。
2、避免“机械式”仿生： 避免“机械式”仿生： 生物的结构与运动特性， 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， 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。 的过程。 机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。 机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。
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 1)足-掌机构 为了使仿生爬行机器人具有近似于爬行动物的运 动特性，爬壁机器人对足动特性，爬壁机器人对足-掌机构都有特殊的要 求。爬壁机器人对腿足机构的要求可归纳为以下 主要方面: 主要方面:
腿机构具有足够的刚性和承载能力； (1) 腿机构具有足够的刚性和承载能力； 腿机构具有足够大的工作空间； (2) 腿机构具有足够大的工作空间； 腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。 (3) 腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。 在腿足机构的端点连接吸掌以后, 在腿足机构的端点连接吸掌以后, 对掌机构的 要求主要有: 要求主要有: 掌的姿态可以调节控制， (1) 掌的姿态可以调节控制，以便在地壁过渡 行走时适应壁面法线方向； 行走时适应壁面法线方向；
第二节
仿生机械手
一、仿生机械手的机构组成 1、仿生机械手机构的运动副及自由度 仿生机械手的机构一般为开链机构， 仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干 构件组成。 构件组成。
F = 6n − ∑kpk
k =1 5
构件数， 运动副数， n-构件数，k-运动副数，pk-运动副约束数
S
肱骨
S
R
尺骨
桡骨
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： 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， 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 与分析其运动情况， 分析方法，完成仿生机械的设计过程， 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。 科知识的交叉与运用。
一、仿生学
仿生原理与创新设计
第一节 仿生学与仿生机械学概述
研究生物系统的结构和特征、 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、 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）。 科学,称为仿生学（bionics）。
仿生学的研究内容主要有： 仿生学的研究内容主要有： 1、机械仿生： 机械仿生： 研究动物体的运动机理， 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 地下的行进、墙面上的行进、 飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制 水中的游等运动； 模仿各种生物的运动装置。 模仿各种生物的运动装置。
CE S’=1 S’=4 R=10
F = 6n − ∑kpk
k =1
5
pI = 0, pI1 = 1 pIII = 2, pIV = 6, pV = 11, ,
F=6×19-(2×1+3×2+4×6+5× 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=6×15F=6×15-（4×5+5×10）=20 5+5×10）
2、力学仿生： 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， 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。 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， 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， 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。 中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。
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 足底着地，足底平放， 足底运动 —— 足底着地，足底平放，足底推离
人类两足步行
鸟类两足步行
ϕ2
ϕ1
抬腿相 足端轨迹 落地相 人类两足步态的进化为什么与鸟类两足步行不同
3、电子仿生： 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、 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， 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、 神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、 电子蛙眼、 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。 统的高级灵敏小型气体分析仪等。
5、信息与控制仿生： 信息与控制仿生： 模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、 模仿动物体内的稳态调控、肢体运动控制、 定向与导航等。 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” 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， 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（biomachinery）， ），是 仿生机械（bio-simulation machinery），是 模仿生物的形态、结构、运动和控制， 模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出 功能更集中、 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 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、 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。 材料仿生以及控制仿生等几个方面。
2）仿生扑翼机构设计
Hale Waihona Puke Baidu
二、飞行仿生机器 人实例
微型飞行机器人
苍蝇机器人
第六节 游动与仿生机构的设计
一、鱼类摆动推进的泳动力学原理
身体波浪式摆动推进
尾鳍摆动式推进
二、鱼类推进系统的结构
三、游动仿生机器人实例
本章完
4、仿生的结果具有多值性： 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、 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。 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： 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， 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
3、注重功能目标，力求结构简单： 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， 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。 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， 如人的每只手有14个关节，20个自由度， 14个关节 个自由度 如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、 如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、控制 也困难的局面。 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。 工程上应用较多。
(2) 调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器 人机体上； 人机体上； 爬壁机器人在壁面上移动时, (3) 爬壁机器人在壁面上移动时, 处于支撑相 的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。 的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。
爬行壁虎机器人
蛇行机器人
第五节
飞行与仿生机构的设计
一、飞行仿生机器人的翅 1、以静电致动方的仿生扑翼 1) 扑翼结构 飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、 飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、变 形胸腔以及伸缩肌肉等为我们设计微型飞行器 提供了借鉴思路。 提供了借鉴思路。
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， 四足步行相：三足着地，四足的交替运动顺序 小跑相： 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、 跑相：三足着地、二足着地、单足着地交替进行
前腿
后腿
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
4、化学仿生： 化学仿生： 模仿光合作用、生物合成、生物发电、 模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物 发光等。 发光等。 例如利用研究生物体中酶的催化作用、生物 例如利用研究生物体中酶的催化作用、 膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物 膜的选择性、通透性、 的分析和合成，研制了一种类似有机化合物， 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， 在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀 一种雄蛾虫。 一种雄蛾虫。
2、避免“机械式”仿生： 避免“机械式”仿生： 生物的结构与运动特性， 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， 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。 的过程。 机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。 机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。
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 1)足-掌机构 为了使仿生爬行机器人具有近似于爬行动物的运 动特性，爬壁机器人对足动特性，爬壁机器人对足-掌机构都有特殊的要 求。爬壁机器人对腿足机构的要求可归纳为以下 主要方面: 主要方面:
腿机构具有足够的刚性和承载能力； (1) 腿机构具有足够的刚性和承载能力； 腿机构具有足够大的工作空间； (2) 腿机构具有足够大的工作空间； 腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。 (3) 腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。 在腿足机构的端点连接吸掌以后, 在腿足机构的端点连接吸掌以后, 对掌机构的 要求主要有: 要求主要有: 掌的姿态可以调节控制， (1) 掌的姿态可以调节控制，以便在地壁过渡 行走时适应壁面法线方向； 行走时适应壁面法线方向；
第二节
仿生机械手
一、仿生机械手的机构组成 1、仿生机械手机构的运动副及自由度 仿生机械手的机构一般为开链机构， 仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干 构件组成。 构件组成。
F = 6n − ∑kpk
k =1 5
构件数， 运动副数， n-构件数，k-运动副数，pk-运动副约束数
S
肱骨
S
R
尺骨
桡骨
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： 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， 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 与分析其运动情况， 分析方法，完成仿生机械的设计过程， 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。 科知识的交叉与运用。