第七章仿生原理与创新设计

1、第七章第七章 仿生原理与创新设计仿生原理与创新设计 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、仿生学一、仿生学研究生物系统的结构和特征、并以此为工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、工作原理和系程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学统构成的科学, ,称为仿生学（称为仿生学（bionicsbionics）。）。1 1、机械仿生：、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；运用机械设行进、墙面上的行进、空中的飞、水中的游等运动；运

2、用机械设计方法研制模仿各种生物的运动装置。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：仿生学的研究内容主要有：MIT研制的仿生机器人恐龙2 2、力学仿生：、力学仿生： 研究并模仿生物体总体结构与精细结构的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。对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。 3 3、分子仿生：、分子仿生： 模仿动物的脑和神经系统的高级中枢的智能活动、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、生物体中的信

3、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、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。蝇嗅觉系统的高级灵敏小型气体分析仪等。 4 4、化学仿生：、化学仿生： 模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等。发光等。 5 5、信息与控制仿生：、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

4、回声向与导航等。例如研究蝙蝠和海豚的超声波回声定位系统、蜜蜂的定位系统、蜜蜂的“天然罗盘天然罗盘”、鸟类和海龟等、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人驾驶的机械装置在运动过程中指明方向二、仿生机械学二、仿生机械学仿生机械（仿生机械（bio-simulationbio-simulationmachinerymachinery），是），是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出模仿生物的形态、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功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械 本章

5、重点讨论本章重点讨论仿生机械学仿生机械学仿生机械学研究内容主要有功能仿生、结构仿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。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三、仿生机械学中的注意事项 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： 仿生机械是建立在对模仿生物体的解剖基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

6、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。科知识的交叉与运用。 2 2、避免、避免“机械式机械式”仿生：仿生： 生物的结构与运动特性，只是人们开展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飞机的发明史经历了从机械式仿生到科学仿生的过程。的过程。 机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。 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： 生物体的功能与实现这些功能的结构是经过千万年的进生物体的功能与实现这些功

7、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。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。 如人的每只手有如人的每只手有1414个关节，个关节，2020个自由度，如果完全仿人手个自由度，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。指的机械手在工程上应用较多。 4 4、仿生的结果具有多值性：、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、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。使用寿命长、制造维护方便

8、的仿生机构方案。 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： 要注意形象思维与抽象思维的结合，注意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打破定势思维并运用发散思维解决问题的能力第二节第二节 仿生机械手仿生机械手 1 1、仿生机械手机构的运动副及自由度、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，由若干仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干构件组成。构件组成。 516kkkpnF n n- -构件数，构件数，k k- -运动副数，运动副数，p pk k- -运动副约

9、束数运动副约束数名称符号自由度数约束数转动副（级副） R15移动副（级副） P15螺旋副（级副） H15圆柱副（级副） C24球销副（级副） S24球面副（级副） S33球槽副（级副） SG42SS=1R=10RSGSS=5肱骨肱骨尺骨尺骨桡骨桡骨尺桡骨通过球槽副SG相连手掌简化成一个构件，与尺、桡骨和5个指骨均用能做2个相对转动的IV级副S相连,11 , 6 , 2 , 1 , 0VIVIII1IIpppppF=6F=619-(219-(21+31+32+42+46+56+511)=2711)=27516kkkpnF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=615-1

10、5-（4 45+55+51010）=20=20 二、仿生机械手实例二、仿生机械手实例 三指机械手三指机械手人工肌肉人工肌肉第三节第三节 步行与仿生机构的设计步行与仿生机构的设计据调查，地球上近一半的地面不能为传统的轮式据调查，地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式车辆到达，而很多足式动物却可以在这些或履带式车辆到达，而很多足式动物却可以在这些地面上行走自如：有足运动具有独特优越性能地面上行走自如：有足运动具有独特优越性能DANTE-1和DANTE-2 。包括8条缩放式足机构，曾进行火山考察。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有足运动具有较好的机动性（有足运动具有较

11、好的机动性（mobilitymobility）。可）。可以跨越较大的障碍以跨越较大的障碍一、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，足底平放，足底推离足底着地，足底平放，足底推离12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人类两足步态的进化为什么与鸟类两足步行不同人类两足步态的进化为什么与鸟类两足步行不同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

12、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二、拟人型步行机器人二、拟人型步行机器人有足运动仿生可分为两足步行仿生和多足运动仿生有足运动仿生可分为两足步行仿生和多足运动仿生两足步行机器人四足移动机器人有更好的适应性，也最接近人类，故也称之为拟人型步行仿生机器人1 1、拟人型步行机器人的仿生机构、拟人型步行机器人的仿生机构空间开链机构空间开链机构髋部需要3个自由度踝部需要3个自由度膝部需要

13、1个弯曲自由度踝部减少1旋转自由度三、多足步行仿生机器人三、多足步行仿生机器人1 1、多足步行仿生机器人的机构、多足步行仿生机器人的机构一般是四足、六足和八足一般是四足、六足和八足1 1、多足步行仿生机器人的机构、多足步行仿生机器人的机构四足步行机器人行走时一般要保证三足着地，故行走较慢四足步行机器人行走时一般要保证三足着地，故行走较慢1 1、多足步行仿生机器人的机构、多足步行仿生机器人的机构常用的是六足常用的是六足步行仿生机器人步行仿生机器人六足六足步行仿生机器人常见的步行方式是三角步态：一侧的前步行仿生机器人常见的步行方式是三角步态：一侧的前足、后足和另一侧的中足共同组成支撑相或摆动相。同

14、相三足、后足和另一侧的中足共同组成支撑相或摆动相。同相三条腿的动作完全一致。从机构学的角度看是条腿的动作完全一致。从机构学的角度看是3并联机构和并联机构和6并并联机构及串联开链机构的不断变化的复合型机构联机构及串联开链机构的不断变化的复合型机构三、多足步行仿生机器人实例三、多足步行仿生机器人实例新西兰六足步行机器人新西兰六足步行机器人hamlet微机器人（微操作型）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 爬行这种运动方式使得机器人可以具有更好的爬行这种运动方式使得机器人可以具有更好的与接触面的附着能力和越障能力。与接触面的附着能力和越障能力。 爬行机器人分为：爬壁机器人和蛇形机

15、器人爬行机器人分为：爬壁机器人和蛇形机器人一、仿生爬行机器人机构一、仿生爬行机器人机构爬行机构的特点：爬行机构的特点：多自由度、多关节的协同动作。多自由度、多关节的协同动作。爬行机构缺点：爬行机构缺点：由于关节自由度多，动力学模型复杂，实现困难由于关节自由度多，动力学模型复杂，实现困难所以工程中应用较少。但是有广泛的应用和研究前景所以工程中应用较少。但是有广泛的应用和研究前景（一）爬壁机器人（一）爬壁机器人基本功能壁面吸附功能移动功能真空吸附磁吸附推力吸附轮式履带式足式1 1、足、足- -掌机构掌机构对腿足机构要求：对腿足机构要求：(1) (1) 腿机构具有足够的刚性和承载能力；腿机构具有足够

16、的刚性和承载能力；(2) (2) 腿机构具有足够大的工作空间；腿机构具有足够大的工作空间；(3) (3) 腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。对掌机构的要求有对掌机构的要求有: :(1) (1) 掌的姿态可以调节控制，以便在地壁过渡行走时适应壁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；面法线方向；(2) (2) 调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器人机体上；调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器人机体上；(3) (3) 爬壁机器人在壁面上移动时爬壁机器人在壁面上移动时, , 处于支撑相的掌与足端应处于支撑相的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。

17、没有限制转动的强迫约束。图图7-22 7-22 复合足复合足- -掌机构结构略图掌机构结构略图丝杠10把经过齿轮减速的主电动机旋转运动变为A点直线移动足掌15的姿态调整依赖A处的电动机带动带轮2，使得与2固连的1摆动，通过连杆16使足掌改变姿态2 2、吸附机构、吸附机构要求：保证吸盘组在垂直于工作面进入吸附状态要求：保证吸盘组在垂直于工作面进入吸附状态导向支撑板导向支撑板（二）仿生蛇形机器人（二）仿生蛇形机器人蛇所具有的弯曲特性是新型机器人行星探测器（称为蛇形机器人）的灵感来源火星探测的蛇形机器人第三代模型 NASA 传统机器人的运动方式分为轮式、履带式两种，而“机器蛇”堪称是世界上第一种靠自

18、己“肌肉”前进的机器人。它像真蛇一样有一条“脊椎骨”，其实是一串模块化的“脊椎单元”，它们像拼插玩具一样紧紧地咬合在一起。 每个“脊椎单元”上有3条独立的“肌肉”。这些“肌肉”由镍钛合金金属丝制成。镍钛合金具有“形状记忆”的特殊本领：当有电流通过时，它的晶体结构会收缩，断电后又能恢复到以前的形状。（二）仿生蛇形机器人（二）仿生蛇形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一、飞行仿生机器人的翅膀一、飞行仿生机器人的翅膀飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、变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。提供了借鉴思路。扑翼机构静电驱动电磁驱动压电驱动利用压电双晶片，在给定电压下，用较小的力和位移驱动与仿生翅连接的柔性机构，带动仿生翅实现拍动在上下极板间加上交变电压，机翼就会在交变电场的作用下上下扑动利用电磁马达，电磁能量向机械能量转换静电驱动压电驱动的仿生扑翼机构压电驱动压电双晶片的工作原理如上图所示,驱动器的中间是弹性层,通常由钢、铝等材料制成,弹性层的上部和下部分别贴有压电陶瓷片。给悬