第五章仿生原理与创新设计

设计是一门艺术机械创新设计李金泉北京邮电大学机电中心办公室：新科研楼915Email：[e-mail]第五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、仿生学第五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、仿生学第五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、仿生学第五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、仿生学竹鸢楼兰古城的有翼天使木牛流马第五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、仿生学第五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）。第五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）。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。仿生学的研究内容主要有：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。4、化学和物理仿生：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。反渗透膜吸附法制氧机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-simulationmachinery），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：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1、仿生机械手机构的运动副及自由度一、仿生机械手的机构组成仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干构件组成。516kkkpnFn-构件数，k-运动副数，Pk-运动副约束数,11,6,2,1,0VIVIII1IIpppppF=6×19-(2×1+3×2+4×6+5×11)=27手指部分的自由度为F=6×15-（4×5+5×10）=20手臂的自由度为516kkkpnF二、仿生机械手实例三指机械手人工肌肉五指机械手一位英国ShadowRobotCompany的员工演示一款被称为“电脑手套（CyberGlove）”的数字式手套三指机械手四指机械手五指机械手仿生机械手录像之一仿生机械手录像之二仿生机械手录像之三仿生机械手录像之四钢琴欣赏-注意手指的动作弹钢琴的指法-轮指仿生机械手录像之五仿生机械手录像之六仿生机械手录像之七仿生机械手录像之八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人腿部运动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，足底推离鸟类腿部运动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四足动物腿部运动分析前腿运动-大腿相对于小腿是向后弯的；后腿运动-大腿相对于小腿是向前弯的。二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人MIT的仿人机器人二、拟人型步行机器人日本本田asimo仿人机器人二、拟人型步行机器人日本本田asimo仿人机器人北京理工大学的仿人机器人—打太极拳北京理工大学的仿人机器人-抓取物体(a)静态运动(b)准动态运动(c)动态运动质心和ZMP都在支撑多变形内质心和ZMP都出支撑多边形。支撑足与地面存在欠驱动自由度质心出支撑区，但ZMP在支撑多区内。支撑足与地面完全接触欠驱动自由度(a)(b)(c)质心质心质心ZMPZMPZMP双足步行运动的分类南斯拉夫双足步行机器人研究学者Vukobratovic在1969年提出了著名的ZMP（ZeroMomentPoint）双足行走运动稳定性概念与判据。其核心思想是要确保单腿支撑期机器人足与地面完全接触，使得各个自由度直接可控，避免出现欠驱动的情形，即：ZMP必须落在支撑凸多边形内部。时至今日，这一方法仍被作为仿人双足步行运动稳定性的重要判定准则xyzCoMooCoMoHHipHeelunderactuaredStanceToeunderactuaredFlightHeelunderactuared双足跑步机器人的运动状态人体骨骼日本的外骨骼机器人外骨骼川崎的可负重30kg的外骨骼可助瘫患者站立的外骨骼中国的外骨骼美国雷神公司的外骨骼美国雷神公司的外骨骼美国洛克希德马丁公司的外骨骼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、单足着地交替进行后腿前腿三、多足步行仿生机器人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三、多足步行仿生机器人三、多足步行仿生机器人三、多足步行仿生机器人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。(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。爬壁机器人对腿足机构的要求可归纳为以下主要方面: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。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2)吸附机构真空吸盘、磁铁等。爬行壁虎机器人一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构二.蛇行机器人二.蛇行机器人二.蛇行机器人二.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。蜂鸟两自由度胸腔式扑翼驱动机构两自由度胸腔式扑翼驱动机构拍翅微飞行器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法国DIY扑扇翼鸟的内部结构视频一视频二扑翼机测试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仿生企鹅本章完