机械创新设计第七章 仿生原理与创新设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 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，
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Fra Baidu bibliotek
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
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：
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； (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。
第七章 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）。
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。
由若干构件组成。
5
F 6n kpk k 1
n-构件数，k-运动副数，pk-运动副约束数
5
F 6n kpk k 1
pI 0, pI1 1, pIII 2, pIV 6, pV 11,
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
图7-1 仿生机械手
图7-2 人手臂示意图 a）人体上肢骨骼 b）人体上肢骨骼机构图 1-肩关节 2-肱骨 3-肘关节 4-尺骨、桡骨 5-腕关节 6-拇指骨 7-腕骨 8-掌骨 9-指骨
二、仿生机械手实例
图7-3 机械手抓取球体
图7-4 人工肌肉简图 a）人工肌肉的构造图 b）人工肌肉致动器简图
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。
图7-8 四足动物的腿部结构示意图
两足步行机器人
二、拟人型步行机器人
图7-9 多组动物的仿生腿结构 a）多足动物的仿生腿 b）仿四足动物的机器人结构
图7-10 拟人机器人腿部的理想自由度
图7-11 拟人机器人腿部6个自由度
图7-12 步行机器人ASIMO
图7-13 步行机器人ASIMO上楼梯
图7-14 “先行者”拟人型机器人
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。
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。
图7-5 微型气动人工肌肉结构件图
图7-6 ROMAC简图
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
图7-7 两足步行状态分析 a）人的不行状态 b）鸟类的步行状态
图7-22 复合足-掌机构结构略图 1-连杆 2、14-带轮 3-杆 4、6-压带轮 5-张紧轮 7-同步带 8-直线轴承 9-导柱 10-丝杠 11-螺母
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
图7-23 爬行壁虎机器人吸附机构
图7-15 多种拟人型机器人
三、多足仿生步行机器人
1、多足仿生步行机器人的构造
图7-16 弓背蚁
图7-18 六足步行机器人
图7-17 多种拟人型机器人 a）四足仿生机器人 b）六足仿蟹步行机器人
2、多足步行仿生机器人实例
图7-19 新西兰六足步行机器人
图7-20 八足步行机器人Scorion 图7-21 六足仿生步行机器人
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 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，
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Fra Baidu bibliotek
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
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：
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； (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。
第七章 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）。
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。
由若干构件组成。
5
F 6n kpk k 1
n-构件数，k-运动副数，pk-运动副约束数
5
F 6n kpk k 1
pI 0, pI1 1, pIII 2, pIV 6, pV 11,
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
图7-1 仿生机械手
图7-2 人手臂示意图 a）人体上肢骨骼 b）人体上肢骨骼机构图 1-肩关节 2-肱骨 3-肘关节 4-尺骨、桡骨 5-腕关节 6-拇指骨 7-腕骨 8-掌骨 9-指骨
二、仿生机械手实例
图7-3 机械手抓取球体
图7-4 人工肌肉简图 a）人工肌肉的构造图 b）人工肌肉致动器简图
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。
图7-8 四足动物的腿部结构示意图
两足步行机器人
二、拟人型步行机器人
图7-9 多组动物的仿生腿结构 a）多足动物的仿生腿 b）仿四足动物的机器人结构
图7-10 拟人机器人腿部的理想自由度
图7-11 拟人机器人腿部6个自由度
图7-12 步行机器人ASIMO
图7-13 步行机器人ASIMO上楼梯
图7-14 “先行者”拟人型机器人
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。
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。
图7-5 微型气动人工肌肉结构件图
图7-6 ROMAC简图
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
图7-7 两足步行状态分析 a）人的不行状态 b）鸟类的步行状态
图7-22 复合足-掌机构结构略图 1-连杆 2、14-带轮 3-杆 4、6-压带轮 5-张紧轮 7-同步带 8-直线轴承 9-导柱 10-丝杠 11-螺母
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
图7-23 爬行壁虎机器人吸附机构
图7-15 多种拟人型机器人
三、多足仿生步行机器人
1、多足仿生步行机器人的构造
图7-16 弓背蚁
图7-18 六足步行机器人
图7-17 多种拟人型机器人 a）四足仿生机器人 b）六足仿蟹步行机器人
2、多足步行仿生机器人实例
图7-19 新西兰六足步行机器人
图7-20 八足步行机器人Scorion 图7-21 六足仿生步行机器人