仿生原理与创新设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章,仿,仿,生,生原理,与,与创新,设,设计,第一节,仿,仿生,学,学与仿,生,生机械,学,学概述,一、仿,生,生学,研究生,物,物系统,的,的结构,和,和特征,、,、并以,此,此为工,程,程技术,提,提供新,的,的设计,思,思想、,工,工作原,理,理和系,统,统构成,的,的科学,称为仿,生,生学（,bionics,）。,1,、机械,仿,仿生,研究动,物,物体的,运,运动机,理,理，模,仿,仿动物,在,在地面,走,走、跑,；,；地下,的,的行进,；,；墙面,上,上的行,进,进；空,中,中的飞,；,；水中,的,的游等,运,运动。,运用机,械,械设计,方,方法研,制,制模仿,各,各种生,物,物的运,动,动装置,。,。,仿生学,的,的研究,内,内容主,要,要有：,机,机械仿,生,生、力,学,学仿生,、,、电子,仿,仿生、,化,化学仿,生,生、信,息,息与控,制,制仿生,。,。,2,、力学,仿,仿生,研究并,模,模仿生,物,物体总,体,体结构,与,与精细,结,结构的,静,静力学,性,性质，,以,以及生,物,物体各,组,组成部,分,分在体,内,内相对,运,运动和,生,生物体,在,在环境,中,中运动,的,的动力,学,学性质,。,。,例如，,模,模仿贝,壳,壳修造,的,的大跨,度,度薄壳,建,建筑，,模,模仿股,骨,骨结构,建,建造的,立,立柱，,既,既消除,应,应力特,别,别集中,的,的区域,，,，又可,用,用最少,的,的建材,承,承受最,大,大的载,荷,荷。,3,、电子,仿,仿生,模仿动,物,物脑和,神,神经系,统,统的高,级,级中枢,的,的智能,活,活动、,生,生物体,中,中的信,息,息处理,过,过程、,感,感觉器,官,官、细,胞,胞之间,通,通信、,动,动物之,间,间通信,等,等，研,制,制人工,神,神经元,电,电子模,型,型和神,经,经网络,、,、高级,智,智能机,器,器人、,电,电子蛙,眼,眼、鸽,眼,眼雷达,系,系统以,及,及模仿,苍,苍蝇嗅,觉,觉系统,的,的高级,灵,灵敏小,型,型气体,分,分析仪,等,等。,4,、化学仿,生,生,模仿光合,作,作用、生,物,物合成、,生,生物发电,和,和生物发,光,光等。,例如利用,研,研究生物,体,体中酶的,催,催化作用,、,、生物膜,的,的选择性,、,、通透性,、,、生物大,分,分子或其,类,类似物的,分,分析和合,成,成，研制,了,了一种类,似,似有机化,合,合物，在,田,田间捕虫,笼,笼中用千,万,万分之一,微,微克，便,可,可诱杀一,种,种雄蛾虫,。,。,5,、信息与,控,控制仿生,模仿动物,体,体内的稳,态,态调控、,肢,肢体运动,控,控制、定,向,向与导航,等,等。例如,研,研究蝙蝠,和,和海豚的,超,超声波回,声,声定位系,统,统、蜜蜂,的,的,“,天然罗盘,”,、鸟类和,海,海龟等动,物,物的星象,导,导航、电,磁,磁导航和,重,重力导航,，,，可为无,人,人驾驶的,机,机械装置,在,在运动过,程,程中指明,方,方向。,二、仿生,机,机械学,仿生机械,，,，是模仿,生,生物的形,态,态、结构,、,、运动和,控,控制，设,计,计出功能,更,更集中、,效,效率更高,并,并具有生,物,物特征的,机,机械。本,章,章重点讨,论,论,仿生机械,学,学。,仿生机械,学,学研究内,容,容主要有,功,功能仿生,、,、结构仿,生,生、材料,仿,仿生以及,控,控制仿生,等,等几个方,面,面。,三、仿生,机,机械学中,的,的注意事,项,项,1,、了解仿,生,生对象的,具,具体结构,和,和运动特,性,性,仿生机械,是,是建立在,对,对模仿生,物,物体的解,剖,剖基础上,，,，了解其,具,具体结构,，,，用高速,影,影象系统,记,记录与分,析,析其运动,情,情况，然,后,后运用机,械,械学的设,计,计与分析,方,方法，完,成,成仿生机,械,械的设计,过,过程，是,多,多学科知,识,识的交叉,与,与运用。,2,、避免,“,机械式,”,仿生,生物的结,构,构与运动,特,特性，只,是,是人们开,展,展仿生创,新,新活动的,启,启示，不,能,能采取照,搬,搬式的机,械,械仿生。,飞机的发,明,明史经历,了,了从机械,式,式仿生到,科,科学仿生,的,的过程。,机械式的,仿,仿生是研,究,究仿生学,的,的大忌之,一,一。,3,、注重功,能,能目标，,力,力求结构,简,简单,生物体的,功,功能与实,现,现这些功,能,能的结构,是,是经过千,万,万年的进,化,化逐渐形,成,成的，有,时,时追求结,构,构仿生的,完,完全一致,性,性是不必,要,要的。,如人的每,只,只手有,14,个关节，,20,个自由度,，,，如果完,全,全仿人手,结,结构，会,造,造成结构,复,复杂、控,制,制也困难,的,的局面。,所,所以仿二,指,指和三指,的,的机械手,在,在工程上,应,应用较多,。,。,4,、仿生的,结,结果具有,多,多值性,要选择结,构,构简单、,工,工作可靠,、,、成本低,廉,廉、使用,寿,寿命长和,制,制造维护,方,方便的仿,生,生机构方,案,案。,5,、仿生设,计,计的过程,也,也是创新,的,的过程,要注意形,象,象思维与,抽,抽象思维,的,的结合，,注,注意打破,定,定势思维,并,并运用发,散,散思维解,决,决问题的,能,能力。,第二节,仿,仿生机,械,械手,1,、仿生机,械,械手机构,的,的运动副,及,及自由度,一、仿生,机,机械手的,机,机构组成,仿生机械,手,手的机构,一,一般为开,链,链机构，,由,由若干构,件,件组成。,n,-,构件数，,k,-,运动副数,，,，,p,k,-,运动副约,束,束数,S,S=1,R=10,R,CE,S,S=4,肱骨,尺骨,桡骨,F=619-(21+32+46+511)=27,同理可求,得,得手指部,分,分的自由,度,度为：,F=615-,（,45+510,）,=20,二、仿生,机,机械手实,例,例,三指机械,手,手,人工肌肉,三指机械,手,手,四指机械,手,手,第三节,步,步行与仿,生,生机构的,设,设计,一、有足,动,动物腿部,结,结构与运,动,动分析,足端运行,轨,轨迹的测,定,定与分析,大腿相对,股,股骨关节,转,转动角度,小腿相对,膝,膝关节转,动,动角度,足底运动,足底着地,，,，足底平,放,放，足底,推,推离,足端轨迹,落地相,抬腿相,抬腿相,人类两足,步,步行,鸟类两足,步,步行,人类两足,步,步态的进,化,化为什么,与,与鸟类两,足,足步行不,同,同？,两,足,步,行,机,器,人,四足走行,动,动作的运,动,动机理与,分,分析,四足步行,相,相：三足,着,着地，四,足,足的交替,运,运动顺序,小跑相：,三,三足着地,与,与二足着,地,地交替进,行,行,跑相：三,足,足着地、,二,二足着地,、,、单足着,地,地交替进,行,行,后腿,前腿,四足机器,人,人,六足机器,人,人,多足机器,人,人的腿,2,、多足步,行,行仿生机,器,器人实例,第四节,爬,爬行与仿,生,生机构的,设,设计,一、仿生,爬,爬行机器,人,人机构,1,、爬壁机,器,器人,1),足,-,掌机构,为了使仿,生,生爬行机,器,器人具有,近,近似于爬,行,行动物的,运,运动特性,，,，爬壁机,器,器人对足,-,掌机构都,有,有特殊的,要,要求。爬,壁,壁机器人,对,对腿足机,构,构的要求,可,可归纳为,以,以下主要,方,方面：,(1),腿机构具,有,有足够的,刚,刚性和承,载,载能力；,(2),腿机构具,有,有足够大,的,的工作空,间,间；,(3),腿机构足,端,端的支撑,相,相直线位,移,移便于控,制,制。,(2),调节掌机,构,构的驱动,装,装置尽可,能,能安装到,机,机器人机,体,体上；,(3),爬壁机器,人,人在壁面,上,上移动时,处于支撑,相,相的掌与,足,足端应没,有,有限制转,动,动的强迫,约,约束。,在腿足机,构,构的端点,连,连接吸掌,以,以后,对掌机构,的,的要求主,要,要有：,(1),掌的姿态,可,可以调节,控,控制，以,便,便在地壁,过,过渡行走,时,时适应壁,面,面法线方,向,向；,爬行壁虎,机,机器人,蛇行机器,人,人,第五节,飞,飞行与,仿,仿生机构,的,的设计,一、飞行,仿,仿生机器,人,人的翅,1,、以静电,致,致动方的,仿,仿生扑翼,1),扑翼结构,飞行昆虫,的,的特征如,外,外部骨骼,、,、弹性关,节,节、变形,胸,胸腔以及,伸,伸缩肌肉,等,等为我们,设,设计微型,飞,飞行器提,供,供了借鉴,思,思路。,二、飞行,仿,仿生机器,人实例,微型飞行,机,机器人,苍蝇机器,人,人,第六节,游,游动与仿,生,生机构的,设,设计,一、鱼类,摆,摆动推进,的,的泳动力,学,学原理,身体波浪,式,式摆动推,进,进,尾鳍摆动,式,式推进,二、鱼类,推,推进系统,的,的结构,三、游动,仿,仿生机器,人,人实例,演讲完毕,，,，谢谢观,看,看！,