1、機(jī) 械 創(chuàng) 新 設(shè) 計(jì)李金泉北京郵電大學(xué)機(jī)電中心辦公室：新科研樓915：buptljqsina.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 第一節(jié) 仿生學(xué)與仿活力械學(xué)概述一、仿生學(xué).第五章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 第一節(jié) 仿生學(xué)與仿活力械學(xué)概述一、仿生學(xué).第五章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 第一節(jié) 仿生學(xué)與仿活力械學(xué)概述一、仿生學(xué).第五章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 第一節(jié) 仿生學(xué)與仿活力械學(xué)概述一、仿生學(xué)竹鳶樓蘭古城的有翼天使木牛流馬.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 第一節(jié) 仿生學(xué)與仿活力械學(xué)概述一、仿生學(xué).第五章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 第一節(jié) 仿生學(xué)與仿活力械學(xué)概述一、仿生學(xué)研討生物系統(tǒng)的構(gòu)造和特征、并以此為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思

2、想、任務(wù)原理和系統(tǒng)構(gòu)成的科學(xué),稱為仿生學(xué)bionics。.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 第一節(jié) 仿生學(xué)與仿活力械學(xué)概述一、仿生學(xué)研討生物系統(tǒng)的構(gòu)造和特征、并以此為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、任務(wù)原理和系統(tǒng)構(gòu)成的科學(xué),稱為仿生學(xué)bionics。.1、機(jī)械仿生： 研討動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，模擬動(dòng)物的地面走、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)方法研制模擬各種生物的運(yùn)動(dòng)安裝。 仿生學(xué)的研討內(nèi)容主要有：.2、力學(xué)仿生： 研討并模擬生物體總體構(gòu)造與精細(xì)構(gòu)造的靜力學(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，模擬貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模擬股

3、骨構(gòu)造建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材接受最大的載荷。 .3、電子仿生： 模擬動(dòng)物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)的高級(jí)中樞的智能活動(dòng)、生物體中的信息處置過(guò)程、覺(jué)得器官、細(xì)胞之間的通訊、動(dòng)物之間通訊等，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)以及模擬蒼蠅嗅覺(jué)系統(tǒng)的高級(jí)靈敏小型氣體分析儀等。 .4、化學(xué)和物理仿生： 模擬光協(xié)作用、生物合成、生物發(fā)電、生物發(fā)光等。 例如利用研討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(wàn)分之一微克，便可誘殺一種雄蛾蟲。反浸透膜吸附法制氧機(jī).5、信息

4、與控制仿生： 模擬動(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。例如研討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(wú)人駕駛的機(jī)械安裝在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中指明方向。.二、仿活力械學(xué) 仿活力械bio-simulationmachinery，是模擬生物的形狀、構(gòu)造、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)討論仿活力械學(xué) 仿活力械學(xué)研討內(nèi)容主要有功能仿生、構(gòu)造仿生、資料仿生以及控制仿生等幾個(gè)方面。 .三、仿活力械學(xué)中的本卷須知 1、了解仿生對(duì)象的詳細(xì)構(gòu)造和運(yùn)動(dòng)特性： 仿活力械是建立在對(duì)模擬生物體的解剖根底上，了解其詳細(xì)

5、構(gòu)造，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，完成仿活力械的設(shè)計(jì)過(guò)程，是多學(xué)科知識(shí)的交叉與運(yùn)用。. 2、防止“機(jī)械式仿生： 生物的構(gòu)造與運(yùn)動(dòng)特性，只是人們開(kāi)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)明史閱歷了從機(jī)械式仿生到科學(xué)仿生的過(guò)程。 機(jī)械式的仿生是研討仿生學(xué)的大忌之一。. 3、注重功能目的，力求構(gòu)造簡(jiǎn)單： 生物體的功能與實(shí)現(xiàn)這些功能的構(gòu)造是經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的進(jìn)化逐漸構(gòu)成的，有時(shí)追求構(gòu)造仿生的完全一致性是不用要的。 如人的每只手有14個(gè)關(guān)節(jié)，20個(gè)自在度，假設(shè)完全仿人手構(gòu)造，會(huì)呵斥構(gòu)造復(fù)雜、控制也困難的局面。所以仿二指和三指的機(jī)械手在工程上運(yùn)用較多。.

6、 4、仿生的結(jié)果具有多值性： 要選擇構(gòu)造簡(jiǎn)單、任務(wù)可靠、本錢低廉、運(yùn)用壽命長(zhǎng)、制造維護(hù)方便的仿活力構(gòu)方案。 5、仿生設(shè)計(jì)的過(guò)程也是創(chuàng)新的過(guò)程： 要留意籠統(tǒng)思想與籠統(tǒng)思想的結(jié)合，留意突破定勢(shì)思想并運(yùn)用發(fā)散思想處理問(wèn)題的才干。.第二節(jié) 仿活力械手 1、仿活力械手機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副及自在度一、仿活力械手的機(jī)構(gòu)組成仿活力械手的機(jī)構(gòu)普通為開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)，由假設(shè)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).F=619-(21+32+46+511)=27手指部分的自在度為F=615-45+510=20手臂的自在度為. 二、仿活力械手實(shí)例 三指機(jī)械手人工肌肉五指機(jī)械手.一位英國(guó)Shadow Robot Co

7、mpany的員工演示一款被稱為“電腦手套CyberGlove的數(shù)字式手套.三指機(jī)械手四指機(jī)械手五指機(jī)械手.仿活力械手錄像之一.仿活力械手錄像之二.仿活力械手錄像之三.仿活力械手錄像之四.鋼琴欣賞-留意手指的動(dòng)作.彈鋼琴的指法-輪指.仿活力械手錄像之五.仿活力械手錄像之六.仿活力械手錄像之七.仿活力械手錄像之八.第三節(jié) 步行與仿活力構(gòu)的設(shè)計(jì)一、有足動(dòng)物腿部構(gòu)造與運(yùn)動(dòng)分析人腿部運(yùn)動(dòng)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，足底推離鳥類腿部運(yùn)動(dòng)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.第三節(jié) 步行與仿活力構(gòu)的設(shè)計(jì)一、有足動(dòng)物腿部構(gòu)造與運(yùn)動(dòng)分析四足動(dòng)物腿

8、部運(yùn)動(dòng)分析前腿運(yùn)動(dòng)-大腿相對(duì)于小腿是向后彎的；后腿運(yùn)動(dòng)-大腿相對(duì)于小腿是向前彎的。.二、擬人型步行機(jī)器人.二、擬人型步行機(jī)器人.二、擬人型步行機(jī)器人.二、擬人型步行機(jī)器人.二、擬人型步行機(jī)器人MIT的仿人機(jī)器人.二、擬人型步行機(jī)器人日本本田asimo仿人機(jī)器人.二、擬人型步行機(jī)器人日本本田asimo仿人機(jī)器人.北京理工大學(xué)的仿人機(jī)器人打太極拳.北京理工大學(xué)的仿人機(jī)器人-抓取物體.雙足步行運(yùn)動(dòng)的分類 南斯拉夫雙足步行機(jī)器人研討學(xué)者Vukobratovic在1969年提出了著名的ZMPZero Moment Point雙足行走運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性概念與判據(jù)。其中心思想是要確保單腿支撐期機(jī)器人足與地面完全接觸

9、，使得各個(gè)自在度直接可控，防止出現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)的情形，即：ZMP必需落在支撐凸多邊形內(nèi)部。時(shí)至今日，這一方法仍被作為仿人雙足步行運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的重要斷定準(zhǔn)那么.雙足跑步機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形狀.人體骨骼.日本的外骨骼.機(jī)器人外骨骼.川崎的可負(fù)重30kg的外骨骼.可助癱患者站立的外骨骼.中國(guó)的外骨骼.美國(guó)雷神公司的外骨骼.美國(guó)雷神公司的外骨骼.美國(guó)洛克希德馬丁公司的外骨骼.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)展跑相：三足著地、二足著地、單足著地交替進(jìn)展后腿前腿三、多足步行仿活力器人.四足機(jī)器人六足機(jī)器人多足機(jī)器人的腿.2、多足步行仿活力器人實(shí)例.三、

10、多足步行仿活力器人.三、多足步行仿活力器人.三、多足步行仿活力器人.第四節(jié) 爬行與仿活力構(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。.(1) 腿機(jī)構(gòu)具有足夠的剛性和承載才干；(2) 腿機(jī)構(gòu)具有足夠大的任務(wù)空間；(3) 腿機(jī)構(gòu)足端的支撐相直線位移便于控制。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:.在腿足機(jī)構(gòu)的端點(diǎn)銜接吸掌以后, 對(duì)掌機(jī)構(gòu)的要求主要有:(1) 掌的姿態(tài)可以調(diào)理控制，以便在地壁過(guò)渡行走時(shí)順應(yīng)壁面法線方向； (2) 調(diào)理掌機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)安裝盡能夠安裝到機(jī)器人機(jī)體上； (3) 爬壁機(jī)器人在壁面上挪動(dòng)時(shí), 處于支撐相的掌與足端應(yīng)沒(méi)有限制轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)迫約束。.第四節(jié) 爬行與仿活力構(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2)吸附機(jī)構(gòu)真空吸盤、磁鐵等。.爬行壁虎機(jī)器人.一、仿生爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu).一、仿生爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu).一、仿生爬行機(jī)器人機(jī)構(gòu).二.蛇行機(jī)器人.二.蛇行機(jī)器人.二.蛇行機(jī)器人.二.蛇行機(jī)器人.第五節(jié) 飛行與仿活力構(gòu)的設(shè)計(jì)一、飛行仿活力器人的翅1、以靜電致動(dòng)方的仿生撲翼1) 撲翼構(gòu)造 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)微型飛行器提供了自創(chuàng)思緒。蜂鳥.兩自在度胸腔式