仿生原理与创新设计

1、机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计1 题目：题目：仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 小组成员：小组成员：现代设计理论与方法现代设计理论与方法第九组第九组总结报告总结报告机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计2 第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述 第二节第二节 仿生机械手仿生机械手 第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计 第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计 第五节第五节 飞行与仿生机构的设计飞行与仿生机构的设计 第六节第六节 游动与仿生机构的设计游动与仿生机构的设计机械创新设计机械创新

2、设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计3生活中的仿生学蝙蝠蝙蝠 雷达雷达 鱼尾鱼尾 船橹船橹 人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜 电鱼电鱼 电池电池 鸟鸟 飞机飞机机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计4研究生物系统的研究生物系统的结构结构和和特征特征、并以此为工、并以此为工程技术提供新的程技术提供新的设计思想设计思想、工作原理工作原理和和系系统统构成的科学构成的科学, ,称为仿生学（称为仿生学（bionicsbionics）。）。第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生一、仿生机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计5仿生学仿

3、生学第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述一、仿生一、仿生主要研究内容主要研究内容机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计6第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述二、仿生机械二、仿生机械仿生机械（仿生机械（bio-simulationbio-simulationmachinerymachinery），），是模仿生物的是模仿生物的形态形态、结构结构、运动运动和和控制控制，设，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。的机械。仿仿生生机机械械功能仿生功能仿生结构仿生结构仿生控制仿生控制仿生材料仿

4、生材料仿生机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计7第一节第一节 仿生学与仿生机械学概述仿生学与仿生机械学概述三、仿生机械学注意事项三、仿生机械学注意事项1 1、了解仿生对象的具体结构和运动特性。、了解仿生对象的具体结构和运动特性。2 2、避免、避免“机械式机械式”仿生。仿生。3 3、注重功能目标，力求结构简单。、注重功能目标，力求结构简单。4 4、仿生的结果具有多值性。、仿生的结果具有多值性。5 5、仿生设计的过程也是创新的过程。、仿生设计的过程也是创新的过程。机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计8仿生机械手机构的仿生机械手机构的运动副及自由度运动

5、副及自由度开链机构，由若干构件组成。开链机构，由若干构件组成。 516kkkpnFn n- -构件数，构件数，k k- -运动副数，运动副数，p pk k- -运动副约束数运动副约束数第二节第二节 仿生机械手仿生机械手一、仿生机械手的机构组成一、仿生机械手的机构组成机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计9SS=1R=10RSGSS=4肱骨肱骨尺骨尺骨桡骨桡骨第二节第二节 仿生机械手仿生机械手一、仿生机械手的机构组成一、仿生机械手的机构组成机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计10机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计11516k

6、kkpnF,11 , 6 , 2 , 1 , 0VIVIII1IIpppppF=6F=619-(219-(21+31+32+42+46+56+511)=2711)=27同理可求得手指部分的自由度为同理可求得手指部分的自由度为F=6F=615-15-（4 45+55+51010）=20=20机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计12五指机械手五指机械手人工肌肉人工肌肉第二节第二节 仿生机械手仿生机械手二、仿生机械手实例二、仿生机械手实例机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计13皮肤机械手皮肤机械手同步操作机械手同步操作机械手第二节第二节 仿生机械手仿生

7、机械手二、仿生机械手实例二、仿生机械手实例机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计14三指机械手三指机械手四指机械手四指机械手第二节第二节 仿生机械手仿生机械手二、仿生机械手实例二、仿生机械手实例机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计15足端运行轨迹的测定与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大腿相对股骨关节转动角度小腿相对膝关节转动角度小腿相对膝关节转动角度足底运动足底运动 足底着地足底着地，足底平放足底平放，足底推离足底推离第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析一、有足动物腿部结构与运动

8、分析机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计1612足端轨迹足端轨迹落地相落地相抬腿相抬腿相抬腿相抬腿相人类两足步行人类两足步行鸟类两足步行鸟类两足步行第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析一、有足动物腿部结构与运动分析机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计17两两足足步步行行机机器器人人第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析一、有足动物腿部结构与运动分析本田仿人机器人本田仿人机器人北理仿人机器人北理仿人机器人自制仿人机器人自制仿人机器人机械创新设计机械创新设计

9、仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计18四足走行动作的运动机理与分析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、单足着地交替进行跑相：三足着地、二足着地、单足着地交替进行后腿后腿前腿前腿第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析一、有足动物腿部结构与运动分析机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计19第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运

10、动分析一、有足动物腿部结构与运动分析多多足足步步行行机机器器人人探月多足机器人探月多足机器人仿生机器骡马仿生机器骡马6足机器人足机器人6足机器人机构模型足机器人机构模型机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计20多足步行仿生机器人实例多足步行仿生机器人实例第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计一、有足动物腿部结构与运动分析一、有足动物腿部结构与运动分析机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计21第四节第四节 爬行与仿生机构的设计爬行与仿生机构的设计一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构爬行机器人爬行机器人爬墙机器人爬墙机器人管道机器

11、人管道机器人蛇形机器人蛇形机器人机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计221 1、以静电致动方的仿生扑翼、以静电致动方的仿生扑翼1) 1) 扑翼结构扑翼结构飞行昆虫的特征如外部骨飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、变形胸腔以骼、弹性关节、变形胸腔以及伸缩肌肉等为我们设计微及伸缩肌肉等为我们设计微型飞行器提供了借鉴思路。型飞行器提供了借鉴思路。第五节第五节 飞行与仿生机构的设计飞行与仿生机构的设计一、飞行仿生机器人的翅一、飞行仿生机器人的翅机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计232 2、仿生扑翼机构设计、仿生扑翼机构设计第五节第五节 飞行与仿生机构的

12、设计飞行与仿生机构的设计一、飞行仿生机器人的翅一、飞行仿生机器人的翅机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计24第五节第五节 飞行与仿生机构的设计飞行与仿生机构的设计二、飞行仿生机器人实例二、飞行仿生机器人实例机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计25微型飞行机器人第五节第五节 飞行与仿生机构的设计飞行与仿生机构的设计二、飞行仿生机器人实例二、飞行仿生机器人实例机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计26苍蝇机器人第五节第五节 飞行与仿生机构的设计飞行与仿生机构的设计二、飞行仿生机器人实例二、飞行仿生机器人实例机械创新设计机械创新设

13、计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计27身体波浪式摆动推进身体波浪式摆动推进尾鳍摆动式推进尾鳍摆动式推进第六节第六节 游动与仿生机构的设计游动与仿生机构的设计一、鱼类摆动推进的泳动力学原理一、鱼类摆动推进的泳动力学原理机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计28第六节第六节 游动与仿生机构的设计游动与仿生机构的设计二、鱼类推进结构二、鱼类推进结构机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计29第六节第六节 游动与仿生机构的设计游动与仿生机构的设计三、游动仿生机器人实例三、游动仿生机器人实例机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计30 仿

14、生开发实例仿生开发实例 新型拟人新型拟人6 6自由度机械臂的研制自由度机械臂的研制设计要求：设计要求： 设计出运动规律类似于人体手臂的机械臂；设计出运动规律类似于人体手臂的机械臂；采用多种机械结构；活动空间基本达到人体手臂采用多种机械结构；活动空间基本达到人体手臂的能力；功能类似人体手臂；能够灵活实用。的能力；功能类似人体手臂；能够灵活实用。 仿生设计实例分析仿生设计实例分析机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计311 11、可行性论证、可行性论证2、初步设计、初步设计2 2 仿生开发实例仿生开发实例 新型拟人新型拟人6 6自由度机械臂的研制自由度机械臂的研制 仿生设计实

15、例分析仿生设计实例分析机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计32 仿生开发实例仿生开发实例 新型拟人新型拟人6 6自由度机械臂的研制自由度机械臂的研制 仿生设计实例分析仿生设计实例分析3 33、详细设计、详细设计机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计33 仿生开发实例仿生开发实例 新型拟人新型拟人6 6自由度机械臂的研制自由度机械臂的研制 仿生设计实例分析仿生设计实例分析4 44、试制与测试、试制与测试机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计34 仿生开发实例仿生开发实例 新型拟人新型拟人6 6自由度机械臂的研制自由度机械臂的研制 仿生设计实例分析仿生设计实例分析5 55、设计改进、设计改进机械创新设计机械创新设计仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计35思考题思考题:1、仿生学与仿生机械学的联系？、仿