第五章仿生原理與創(chuàng)新設計ppt課件

1、機 械 創(chuàng) 新 設 計李金泉北京郵電大學機電中心辦公室：新科研樓915：buptljqsina.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設計 第一節(jié) 仿生學與仿活力械學概述一、仿生學.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設計 第一節(jié) 仿生學與仿活力械學概述一、仿生學.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設計 第一節(jié) 仿生學與仿活力械學概述一、仿生學.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設計 第一節(jié) 仿生學與仿活力械學概述一、仿生學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)新設計 第一節(jié) 仿生學與仿活力械學概述一、仿生學.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設計 第一節(jié) 仿生學與仿活力械學概述一、仿生學研討生物系統(tǒng)的構造和特征、并以此為工程技術提供新的設計思

2、想、任務原理和系統(tǒng)構成的科學,稱為仿生學bionics。.第五章 仿生原理與創(chuàng)新設計 第一節(jié) 仿生學與仿活力械學概述一、仿生學研討生物系統(tǒng)的構造和特征、并以此為工程技術提供新的設計思想、任務原理和系統(tǒng)構成的科學,稱為仿生學bionics。.1、機械仿生： 研討動物體的運動機理，模擬動物的地面走、跑、地下的行進、墻面上的行進、空中的飛、水中的游等運動；運用機械設計方法研制模擬各種生物的運動安裝。 仿生學的研討內容主要有：.2、力學仿生： 研討并模擬生物體總體構造與精細構造的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環(huán)境中運動的動力學性質。 例如，模擬貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模擬股

3、骨構造建造的立柱，既消除應力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材接受最大的載荷。 .3、電子仿生： 模擬動物的腦和神經(jīng)系統(tǒng)的高級中樞的智能活動、生物體中的信息處置過程、覺得器官、細胞之間的通訊、動物之間通訊等，研制人工神經(jīng)元電子模型和神經(jīng)網(wǎng)絡、高級智能機器人、電子蛙眼、鴿眼雷達系統(tǒng)以及模擬蒼蠅嗅覺系統(tǒng)的高級靈敏小型氣體分析儀等。 .4、化學和物理仿生： 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化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺一種雄蛾蟲。反浸透膜吸附法制氧機.5、信息

4、與控制仿生： 模擬動物體內的穩(wěn)態(tài)調控、肢體運動控制、定向與導航等。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)葎游锏男窍髮Ш?、電磁導航和重力導航，可為無人駕駛的機械安裝在運動過程中指明方向。.二、仿活力械學 仿活力械bio-simulationmachinery，是模擬生物的形狀、構造、運動和控制，設計出功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。 本章重點討論仿活力械學 仿活力械學研討內容主要有功能仿生、構造仿生、資料仿生以及控制仿生等幾個方面。 .三、仿活力械學中的本卷須知 1、了解仿生對象的詳細構造和運動特性： 仿活力械是建立在對模擬生物體的解剖根底上，了解其詳細

5、構造，用高速影象系統(tǒng)記錄與分析其運動情況，然后運用機械學的設計與分析方法，完成仿活力械的設計過程，是多學科知識的交叉與運用。. 2、防止“機械式仿生： 生物的構造與運動特性，只是人們開展仿生創(chuàng)新活動的啟示，不能采取照搬式的機械仿生。 飛機的發(fā)明史閱歷了從機械式仿生到科學仿生的過程。 機械式的仿生是研討仿生學的大忌之一。. 3、注重功能目的，力求構造簡單： 生物體的功能與實現(xiàn)這些功能的構造是經(jīng)過千萬年的進化逐漸構成的，有時追求構造仿生的完全一致性是不用要的。 如人的每只手有14個關節(jié)，20個自在度，假設完全仿人手構造，會呵斥構造復雜、控制也困難的局面。所以仿二指和三指的機械手在工程上運用較多。.

6、 4、仿生的結果具有多值性： 要選擇構造簡單、任務可靠、本錢低廉、運用壽命長、制造維護方便的仿活力構方案。 5、仿生設計的過程也是創(chuàng)新的過程： 要留意籠統(tǒng)思想與籠統(tǒng)思想的結合，留意突破定勢思想并運用發(fā)散思想處理問題的才干。.第二節(jié) 仿活力械手 1、仿活力械手機構的運動副及自在度一、仿活力械手的機構組成仿活力械手的機構普通為開鏈機構，由假設干構件組成。 n-構件數(shù)，k-運動副數(shù)，Pk-運動副約束數(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、仿活力械手實例 三指機械手人工肌肉五指機械手.一位英國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.三指機械手四指機械手五指機械手.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) 步行與仿活力構的設計一、有足動物腿部構造與運動分析人腿部運動分析大腿相對股骨關節(jié)轉動角度小腿相對膝關節(jié)轉動角度足底運動 足底著地，足底平放，足底推離鳥類腿部運動分析大腿相對股骨關節(jié)轉動角度小腿相對膝關節(jié)轉動角度.第三節(jié) 步行與仿活力構的設計一、有足動物腿部構造與運動分析四足動物腿

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

9、，使得各個自在度直接可控，防止出現(xiàn)欠驅動的情形，即：ZMP必需落在支撐凸多邊形內部。時至今日，這一方法仍被作為仿人雙足步行運動穩(wěn)定性的重要斷定準那么.雙足跑步機器人的運動形狀.人體骨骼.日本的外骨骼.機器人外骨骼.川崎的可負重30kg的外骨骼.可助癱患者站立的外骨骼.中國的外骨骼.美國雷神公司的外骨骼.美國雷神公司的外骨骼.美國洛克希德馬丁公司的外骨骼.四足走行動作的運動機理與分析四足步行相：三足著地，四足的交替運動順序小跑相：三足著地與二足著地交替進展跑相：三足著地、二足著地、單足著地交替進展后腿前腿三、多足步行仿活力器人.四足機器人六足機器人多足機器人的腿.2、多足步行仿活力器人實例.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) 爬行與仿活力構的設計一、仿生爬行機器人機構1、爬壁機器人1)足-掌機構為了使仿生爬行機器人具有近似于爬行動物的運動特性，爬壁機器人對足-掌機構都有特殊的要求。.(1) 腿機構具有足夠的剛性和承載才干；(2) 腿機構具有足夠大的任務空間；(3) 腿機構足端的支撐相直線位移便于控制。爬壁機器人對腿足機構的要求可歸納為以下主要方面:.在腿足機構的端點銜接吸掌以后, 對掌機構的要求主要有:(1) 掌的姿態(tài)可以調理控制，以便在地壁過渡行走時順應壁面法線方向； (2) 調理掌機構的驅動安裝盡能夠安裝到機器人機體上； (3) 爬壁機器人在壁面上挪動時, 處于支撐相的掌與足端應沒有限制轉動的強迫約束。.第四節(jié) 爬行與仿活力構的設計一、仿生爬行機器人機構1、爬壁機器人2)吸附機構真空吸盤、磁鐵等。.爬行壁虎機器人.一、仿生爬行機器人機構.一、仿生爬行機器人機構.一、仿生爬行機器人機構.二.蛇行機器人.二.蛇行機器人.二.蛇行機器人.二.蛇行機器人.第五節(jié) 飛行與仿活力構的設計一、飛行仿活力器人的翅1、以靜電致動方的仿生撲翼1) 撲翼構造 飛行昆蟲的特征如外部骨骼、彈性關節(jié)、變形胸腔以及伸縮肌肉等為我們設計微型飛行器提供了自創(chuàng)思緒。蜂鳥.兩自在度胸腔式