第七章仿生原理与创新设计
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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人具有近似于爬行动物的运 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:
(1) 腿机构具有足够的刚性和承载能力;
人类两足步行
鸟类两足步行
2
1
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
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
前腿
后腿
四足机器人
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
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
(2) 腿机构具有足够大的工作空间;
(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, 对掌机构的
要求主要有:
(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;
(2) 调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器 人机体上; (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。
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、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。
2)仿生扑翼机构设计
二、飞行仿生机器 人实例
微型飞行机器人
苍蝇机器人
微型昆虫机器人
仿生机械手的机构一般为开链机构,由若干 构件组成。
F 6n kpk
k 1 5
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
CE S’=1
S’=4
R=10
F 6n kpk
k 1
5
pI 0, pI1 1, pIII 2, pIV 6, pV 11,
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
仿生学的研究内容主要有: 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。
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。
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
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
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
发光等。
例如利用研究生物体中酶的催化作用、生物
膜的选百度文库性、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:
美国用于监视游行示威的群众用
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