仿生机械学（上篇共上下2篇）283

仿生机械学Biomechanics

绪论第一节仿生学概述模仿生物特征建造技术系统，或者使人造技术系统具有类似生物特征的科学，称为仿生学。一、仿生学的基本概念或者说，仿生学是模仿生物特性的科学。例如：模仿生物运动特性，设计制造陆地步行机械、爬行机械，天空飞行机械，水中游动机械等许多仿生机械。第一节仿生学概述

绪论仿陆地步行的机械：仿陆地爬行的机械：六足步行机器人仿人步行机器人仿鸟步行机器人四足步行机器人八足步行机器人仿生机器蛇仿生壁虎仿生蝎子仿生蚯蚓仿生蜘蛛第一节仿生学概述

绪论仿天空飞行的机械仿水中游动的机械仿生鸟仿生蝴蝶仿生苍蝇仿生蜻蜓各种仿生鱼仿生水母仿生墨鱼仿生鳐鱼利用仿生学原理设计的仿生机械实例还有很多，这里仅仅例举了运动学仿生的几个实例。第一节仿生学概述5绪论二、仿生学的分类仿生学是一门新兴学科，分类方法没有统一的规定力学仿生仿生学分子仿生能量仿生信息控制仿生生物学家把仿生学纳入生物学的分支，分类为第一节仿生学概述1、生物学家的分类法6绪论2、工程学家的分类法工程学家按照不同学科把仿生学分类为：化学仿生电子仿生仿生学建筑仿生机械仿生医学仿生材料仿生信息控制仿生本教材采用工程学科分类法实际研究工作中，各个学科经常互相交叉。如仿生人工心脏，仿生假肢等，是典型的仿生机械，但也是仿生医学的研究内容。例如：第一节仿生学概述绪论仿生心脏是仿生机械学、仿生医学及控制学的交叉学科研究结果仿生假肢是仿生机械学、医学及材料科学的交叉研究成果心脏仿生心脏第一节仿生学概述仿生手仿生脚仿生关节仿生下肢仿生上肢

绪论第二节仿生机械学的研究内容、目的与意义1、仿生机械学的概念：研究用机械装置或机电装置模仿生物体的结构、功能与运动特性，从而设计出具有生物特征的机械系统的学科。一、仿生机械学例如：模仿生物运动特性，设计“陆地步行机械、爬行机械，天空飞行机械，水中游动机械，人工关节、各类机电假肢等”，都是典型的仿生机械学研究内容。第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义绪论2、仿生机械学的内容第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义仿生机械学第三篇仿生机械设计与分析第六章仿动物步行的机械及其设计第一篇仿生学综述第二章仿生学简介第一章生物学基础第二篇机械学基础第四章机械运动学基础第三章机械结构学学基础第五章机械力学基础第七章仿动物爬行的机械及其设计第八章仿动物飞行的机械及其设计第九章仿动物水中游动的机械及其设计第十章仿人体组织结构的机械及其设计第十一章仿生机器人的感觉系统

绪论1、为设计具有生物特征的特定机械奠定理论基础；2、为设计仿生机器人奠定方法基础；3、为创新设计新产品提供形象思维的能力；4、为人类肢体修复奠定技术基础；5、为设计仿真智能机器人奠定基础；二、研究仿生机械学的目的与意义第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义绪论人类的许多发明创造得益于对生物特征的观察，由于不掌握仿生学的知识，在科学研究中也走过许多弯路。以下举例说明。1、蝙蝠与雷达2、鱼类与潜水艇3、蜻蜓与机翼颤振4、蜘蛛与液压步行机5、响尾蛇与红外跟踪导弹三、仿生学对工程技术人员的启迪第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义绪论嘴发出超声波耳接受超声波(b)图2-6蝙蝠与雷达1、蝙蝠与雷达1893—1922年，俄美科学家先后发现电磁波遇到金属能反射回来；1935—1936年，英国人据此原理发明雷达，并应用到二战中。1940—1945年，科学家发现蝙蝠利用发射和接收超声波定位捕食昆虫；但直到1983年才利用仪器证明蝙蝠利用嘴发射并利用耳朵接收超声波，第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义如果早点明白蝙蝠飞行扑食原理。雷达的发明时间就会大大提前。绪论2、鱼类与潜水艇第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义1766年，最原始的潜水艇诞生，（加装铅块实现升降）1900年，近代潜水艇诞生，（进排水实现升降）鱼类利用鱼鳔充放气实现升降，已经存在千万年。如果早点发现鱼鳔原理，可使潜水艇的发明少走许多弯路。绪论3、蜻蜓与机翼颤振第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义颤振飞机翅膀的颤振可以造成机翼折断，发生多起机毁人亡的事故。经过多年的研究，在机翼两侧加装适当配种，才解决这一共振问题。

在与昆虫学家合作研究时，才发现蜻蜓早在千百万年之前就已经成功解决该问题。原来蜻蜓翅膀进化的翅痣就能解决翅膀的颤振问题。绪论4、蜘蛛与液压步行机第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义有腿的动物会行走，主要是依靠肌肉的收缩；蜘蛛的腿是外骨骼结构，腿上没有肌肉，为什么会走路？蜘蛛不是靠肌肉的收缩走路的，而是靠中空型腿中的“液压变化”走路的，液压步行机器人走行原理与蜘蛛走行原理是相似的。绪论5、响尾蛇与红外跟踪导弹第二节仿生机械学的研究内容，目的与意义1937年—1952年，科学家发现并证实响尾蛇具有红外跟踪和定位功能。响尾蛇的眼睛和鼻孔之间有一个颊窝，是热能感受器，能感觉到0.001℃的温度变化。可接收动物身上发出来的红外线，据此对动物跟踪并捕获。美国1949年开始研究，1953年AIM-9红外空空导弹试射成功。绪论第三节仿生学遐想一、研究生物特征，开辟未来1、研究动物冬眠原理，探索人类的冬眠，为治疗某些疾病争取时间；2、研究仿生器官，为实现器官移植服务。3、仿生宠物智能化，解决宠物的饲养问题。4、仿生机械智能化，研制仿生智能机器人；如机器人士兵、机器人教师、机器人工人、机器人服务工作人员等。5、仿生机械智能化、形象逼真化、生理相同，研究高等仿真机器人6、仿生学的发展对人类社会的伦理冲击。第三节仿生学遐想绪论第三节仿生学遐想二、仿生学的发展与人类社会1、仿生学的发展促进各学科的交叉、渗透于融合，形成许多新型边缘学科。如仿生机械学、仿生建筑学、仿生材料学、仿生化学、仿生医学、仿生电子学以及仿生信息与控制学等。3、仿生学的研究成果将造福人类。如大量仿生智能机器人代替人类的工作2、这些边缘学科又交叉、渗透于融合，促进人类社会的发展。如仿生医学、仿生机械学、仿生材料学的交叉等。绪论第三节仿生学遐想绪论完BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第一篇仿生学综述

第一章生物学基础第一节生物及其分类一切具有新陈代谢的物体，统称生物。如：动物、植物、微生物、细胞等，都是生物。或者说，一切具有生命，可以进行新陈代谢、生长发育和繁殖、遗传或变异的生命体，都是生物。否则为非生命体。本书中的生物主要讨论动物和植物。以下都是生物。一、生物的概念第一节生物及其分类

第一章生物学基础二、生物分类第一节生物及其分类按两界说分类：植物界、动物界生物分类按三界说分类：植物界、动物界、原生物界按五界说分类：植物界、动物界、原生物界、原核生物界、真菌界按两界说分类：植物界、动物界、原生物界、原核生物界、真菌界、病毒按四界说分类：植物界、动物界、原生物界、原核生物界生物分类有七个级别;界、门、纲、目、科、属、种，物种是最基本单元。本书采用两界说分类法，即按动物和植物分类。23第一章生物学基础三、动物的分类动物分类及其复杂，主要根据同源性进行分类：脊椎动物：哺乳类、爬行类、两栖类、鱼类、鸟类等动物无脊椎动物：软体动物、节肢动物、腔肠动物、环节动物等微生物：真菌、细菌、衣原体、病毒等本书仅涉及到脊椎动物和部分无脊椎动物。第一节生物及其分类24

第一章生物学基础四、植物的分类以植物的亲缘关系进行分类第一节生物及其分类裸子植物种子植物植物被子植物、单子叶植物、双子叶植物藻类植物地衣植物蕨类植物孢子植物苔藓类植物菌类植物种子植物为两类，即被子植物和裸子植物。这两类植物的共同特征都具有种子。被子植物的种子生在果实里面，如苹果、大豆即被子植物。裸子植物的种子在外面，如银杏松子等。25

第一章生物学基础一、生物的多样性指地球表面生物圈中各种生命形成的资源以及他们的生态过程。第二节生物的多样性生态系统多样性（森林、草原、沙漠、山地、海洋、河湖、湿地、农田等生物的多样性物种多样性（动植物、微生物可达3000万种）遗传多样性（物种遗传基因的多样性）

二、生物的多样性的内容

第一章生物学基础一、进化论达尔文的进化论包含以下四个部分：1、所有生物都来自共同的祖先。2、物种是可变的，一个物种可演化为新物种。3、生物的进化是渐变式的。4、自然选择是进化的主要机制第三节生物的进化人类进化鸟类进化长颈鹿的进化第一章生物学基础1、所有生物都是从海洋中的单细胞生命进化的

一部分在海洋中进化为各种动物

一部分从海洋走向陆地进化为各种动物陆地上的某种动物进化为人类二、生物进化历程第三节生物的进化生命进化历程第一章生物学基础生物进化树可清楚显示生物的进化过程2、生物进化树第三节生物的进化了解生物进化过程，可以清楚动物之间的内在本质联系，有利掌握动物的结构特性和进行仿生设计。生物进化树第一章生物学基础3、动物胚胎进化历程第三节生物的进化动物胚胎进化历程可展现出动物与人类具有共同的祖先。鱼蝾螈龟鸡猪牛兔人第一章生物学基础4、前肢的进化第三节生物的进化鸟蝙蝠鲸马人四种脊椎动物前肢骨和人的上肢骨对比图马的尺骨与桡骨结合在一起从鸟类、蝙蝠、鲸鱼、马的前肢和人类上肢的进化看，他们基本具有类似的结构，只是由于功能的不同，各自进化为适合自身特点的结构。第一章生物学基础二、生物进化的原因第三节生物的进化1、遗传物质的变异是进化的内因。2、生存环境的变化是进化的外因。3、生物进化后对环境有很大影响。如藻类植物释放氧气，促植物生长和动物的有氧生活。第一章生物学基础第四节植物及其运动特性第四节植物及其运动特性一、植物的运动特性：植物能够运动，但速度缓慢。向地性向光性向水性向化性肥料含羞草跳舞草食虫草感震性感触性感震性整体运动植物的运动感性运动相性运动向地性运动感震性运动感触性运动向光性运动向水性运动向化性运动整体运动植物运动形式如下：第一章生物学基础第四节植物及其运动特性二、植物的结构与力学特征1、植物的根系:吸收营养、固定植物，抵抗重力与外力。2、植物的茎秆：（1）茎秆构造木本植物称为茎杆，草本植物称为茎秆。支撑植物、输送营养、储存营养以树木为例，中间的髓储存营养中柱部分的维管束输送营养和水分；第一章生物学基础第四节植物及其运动特性细高类植物经过进化为中空茎秆，不易倒伏；如中空部分有节，能增加抗扭能力。如图示的竹子就是类似结构。第一章生物学基础第四节植物及其运动特性（3）茎秆力学特征1）不同截面、相同周长的茎秆面积

bdDD设圆形截面直径为D，周长为

面积为相同外圆直径的圆环内径为d，方形截面边长为b；周长为，面积为若他们具有相同的周长，则有：计算结果表明，在周长相等的条件下，圆形截面具有更大面积。这是植物进化为圆形截面茎秆的原因之一。第一章生物学基础第四节植物及其运动特性2）圆形截面植物有较好的抗风能力圆形截面的受力风的作用力为：方形截面的受力抗风能力pA风载的体型系数，圆形截面KK=0.8,方形截面K=1.5单位面积作用力，风的作用面积圆形截面较方形截面抗风能力要好第一章生物学基础第四节植物及其运动特性3、植物的叶叶由叶片、叶柄和托叶组成,少一个或两个称不完全叶完全叶不完全叶（1）叶的组成研究植物的叶有助于深入了解光合作用，对人工改造空气环境有很大帮助第一章生物学基础第四节植物及其运动特性叶片含有叶绿素、胡萝卜素后或藻红素，叶片颜色取决于他们的转化（2）叶的颜色(3)叶片的形状:随环境、气候等差别很大第一章生物学基础第四节植物及其运动特性（4）叶片作用1）光合作用：在阳光照耀下，吸收二氧化碳和水分，制造碳水化合物为主的有机物，释放氧气的过程。2）蒸腾作用：叶片中水分蒸发，散热，保证植物正常生长。3）调节气候：叶片蒸发水分，增加空气中水蒸气，调节气候。4）降低噪声：吸振，降噪。5）制作饲料或药材：第一章生物学基础第四节植物及其运动特性7）建筑仿生：叶片形状为建筑物设计提供创新途径8）天气预报：有些叶片在下雨前滴水（滴水观音）9）食用：6）减轻空气污染：吸附空气中的粉尘，减轻空气污染；吸附降解一些有毒化学物质；滴水观音松果建筑

第一章生物学基础一、动物的分类第五节动物及其分类动物有脊椎动物鱼类动物无脊椎动物软体动物节肢动物腔肠动物两栖动物爬行动物鸟类动物哺乳动物第五节动物及其分类

第一章生物学基础1、无脊椎动物第五节动物及其分类腔肠动物珊瑚水螅水母（1）腔肠动物：简单的多细胞动物水螅珊瑚水母模仿水母运动，在水中仿生机械设计有重要应用。第一章生物学基础第五节动物及其运动特性（2）软体动物：身体柔软不分节，由头、足、内脏囊和外套膜组成蜗牛：外套膜形成石灰质结构章鱼螺类：蚌类：乌贼：软体动物外套膜形成石灰质结构外套膜形成石灰质结构第一章生物学基础第五节动物及其运动特性（3）节肢动物：分头、胸、腹三部分；胸部三足，凡丁质外骨骼。甲壳类动物蛛形类动物肢口类动物多足类动物昆虫类动物节肢动物第一章生物学基础第五节动物及其运动特性2、脊椎类动物的分类1、鱼类动物软骨鱼类：如鲨鱼、鳐鱼等硬骨鱼类：鲤鱼、黄花鱼等鱼类动物（2）鱼类体型（纺锤形，平扁形，侧扁形，棍棒性和长侧扁形）（1）鱼的分类第一章生物学基础第五节动物及其运动特性头尾轴左右轴腹背轴（高）（长）（宽）1）纺锤形：（流线型）头尾轴长，腹背轴短，左右轴最小2）平扁形：左右轴长，腹背轴最小。呈扁平型。3）侧扁形：左右轴小，头尾轴与腹背轴相近。4）棍棒性：头尾轴长，左右轴与腹背轴小，且相近。5）长侧扁形：头尾轴最长，左右轴最小。纺锤形平扁形侧扁形棍棒性长侧扁形第一章生物学基础第五节动物及其运动特性（3）鱼鳍：不同的鱼类，鱼鳍形状、分布、大小、多少都不同。鱼鳍胸鳍：一对，控制方向、制动腹鳍：一对，臀鳍:一个，平衡尾鳍：一个，产生推力背鳍：一个，平衡控制方向、制动鱼鳍名称如下鱼鳍在仿生机器鱼的设计中有重要作用第一章生物学基础第五节动物及其运动特性2、两栖动物：幼体用腮呼吸，成年用肺呼吸，水陆两栖。两栖动物的仿生研究中，除研究模仿青蛙的跳动外，更关注青蛙由腮呼吸转为肺的呼吸的机理。无足两栖类动物:四肢退化，无尾或短尾，蚓螈、鱼螈等无尾两栖类动物：成年无尾，后肢发达。青蛙等两栖动物有尾两栖类动物：生活在水中，如鲵和蝾螈鲵蝾螈蚓螈鱼螈第一章生物学基础第五节动物及其运动特性3、爬行动物：是多足步行机器人和蛇行机器人的重要模仿对象龟鳖爬行类：有背甲，四肢粗壮，如乌龟喙头爬行动物类：嘴似鸟喙，如喙头蜴类有麟爬行类：体表有角质鳞片，如蛇、大蜥蜴类鳄类：如鳄鱼等爬行动物爬行动物分为有腿类、无腿类爬行动物，还有蝴蝶幼虫类，腿部没有发育完整，只有类似腿的足。第一章生物学基础第五节动物及其运动特性4、鸟类动物：是仿生机械学研究重点平胸鸟类：体型大、翼退化、善奔走，如鸵鸟类企鵝鸟类：翼进化为鳍、善游泳，如企鵝凸胸鸟类：胸骨突出、善飞翔，绝大部分鸟类为此类鸟类动物第一章生物学基础第五节动物及其运动特性5、哺乳动物：是仿生机械学研究重点动物原兽类：原始哺乳动物，卵生，如鸭嘴兽后兽类：低等哺乳动物，胎生，但幼兽发育不全，如有袋类动物。真兽类：高等哺乳动物，食草类、食虫类、食肉类、啮齿类、灵长类。哺乳动物食草类食虫类食肉类啮齿类灵长类第一章生物学基础第五节动物及其运动特性爬行：腿由身体两侧向外伸出，经常肚腹着地，通过前后摆动，实现身体的移动。如蜥蜴动物的运动形态走行：腿由身体下方竖直伸出，支撑起体重。通过前后摆动，实现身体的移动。如人类飞行：依靠煽动翅膀或空气流动或喷射反作用，实现身体空中的移动。如鸟类、蝙蝠等游动：在水中依靠身体、鳍的摆动，或喷射水流，实现身体在水中的移动。如鱼类、水母无足爬行：无腿足，通过摆动身体，实现身体的移动。如蛇类跳动：在后腿蹬踏力作用下，身体在空中短暂移动后落地的运动状态。如青蛙，袋鼠二、动物的运动形态1、运动形态第一章生物学基础第五节动物及其运动特性2、步行运动说明：依靠腿的前后交替摆动实现身体移动的动物。步行分为走行和爬行爬行：腿由身体两侧向外伸出，难以支撑体重，经常肚腹着地，如蜥蜴、蚂蚁、昆虫等动物类。步行走行：腿由身体下方竖直伸出，支撑起体重。如双足的人类，鸡鸭以及四足的马牛羊等动物。第一章生物学基础第六节仿植物机器人综述第六节仿植物机器人综述植物机器人是一个全新概念，属于刚刚起步探讨的阶段。目前还没有清晰的概念，也缺乏理论和方法的支撑。本书将其列为一节内容，其目的是跟踪仿生学领域的最前沿内容。第一章生物学基础第一章生物学基础结束仿生机械学BiomechanicsBEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

第二章仿生学简介第一节仿生学及其研究内容第一节仿生学及其研究内容一、仿生学的诞生生物经过千百万年的进化，形成了适应环境的、完美的身体结构。人类在生产实践中开始模仿生物特点与结构，虽然获得很多发明创造，但没自觉地把生物作为发明创造的学习目标和设计的指导思想。直到20世纪60年代，模仿生物的仿生设计才引起科学家的重视，并诞生一门新型学科—仿生学。为人类社会的发展做出重大贡献。

第二章仿生学简介第一节仿生学及其研究内容二、仿生学的分类与内容机械领域的仿生学：仿生机械学，研究模仿动物的运动特性仿生学内容信息与领域的仿生学：仿生信息与控制学，研究模仿生物的信息传递与控制化学领域的仿生学：仿生化学，模仿生物体内的化学作用功能，研制新产品电子领域的仿生学：仿生电子学，模仿生物的特殊功能，研制相应电子设备材料领域的仿生学：仿生材料学，模仿生物特殊功能，研制新材料医学领域的仿生学：仿生医学，研究生物微观和宏观结构，设计仿生器官等建筑领域的仿生学：仿生建筑学，模仿生物特殊结构，设计建筑产品

第二章仿生学简介第一节仿生学及其研究内容三、仿生学的研究方法仿生学的研究方法大致分为三步1、研究生物原型：根据设计目标，选定生物原型。2、建立生物原型的物理模型或数学模型。3、将物理模型或数学模型转换为实物模型。1、研究方法

第二章仿生学简介第一节仿生学及其研究内容2、研究实例1、研究生物原型：以大狗为生物原型。2、对应的生物原型的物理模型或数学模型转为机构运动简图。3、对物理模型进行分析与设计计算，制造实物模型样机。设计仿生四足机器人

第二章仿生学简介第二节电子仿生第二节电子仿生一、电子仿生的基本概念研究生物的微观特性，采用电子学技术进行仿生设计的内容，称为电子仿生。1、电子仿生的基本概念2、电子仿生的主要内容（1）研究生物体内的分子电子学特性，生物信息及传递等问题，发展基于生物信息处理的计算技术。（2）应用电子信息科学理论解决生物信息问题，开展生物信息监测技术，及辅助治疗技术。

第二章仿生学简介第二节电子仿生第一节仿生学的诞生裸子植物种子植物植物被子植物、单子叶植物、双子叶植物藻类植物地衣植物蕨类植物孢子植物苔藓类植物菌类植物

第二章仿生学简介第二节电子仿生二、电子仿生实例1、电子蛙眼青蛙捕食运动中的昆虫，准确无误，原来依靠眼睛的特殊结构。眼睛视网膜有5类感物细胞，可迅速识别运动中的喜欢吃的昆虫，对静止不动的昆虫无反应。根据青蛙眼睛结构，发明了电子蛙眼。在战场中快速识别高速飞行的导弹、飞机坦克与舰船等运动目标。

第二章仿生学简介第二节电子仿生2、电子蝇眼苍蝇是复眼结构，每只眼由3000只小眼组成，且能独立成像，而且互相抑制。能迅速清晰分辨物体形状和大小。据此，美国斯坦福大学发明了仿苍蝇眼的电子蝇眼透镜，并制成蝇眼相机，一次能拍照1329张照片，用于复制微小电子线路。

第二章仿生学简介第二节电子仿生3、电子皮肤：模仿变色龙随时改变身体颜色的特性，发明了电子皮肤，有触感，用于人工假肢和智能机器人4、仿生电子继电器：植物光合作用中，将光能转换为化学能是快速反应，利用化学能把水分解为氧气和氢气是慢速反应，为使二者匹配，植物有一个中间步骤，在人工光合作用时，发明了植物中间步骤的电子继电器，提高了光合作用的效率。

第二章仿生学简介第二节电子仿生5、仿生电子鼻：动物鼻子分布大量嗅觉细胞，嗅觉灵敏，人们利用高灵敏度的气敏传感器列阵，研制出仿生电子鼻，用以检测各种气味，并应于在医疗等许多领域：计算机信息处理系统气味气敏传感器列阵信号处理结果模式识别仿生电子鼻工作原理如下：

第二章仿生学简介第二节电子仿生6、生物神经元与生物信息采集神经元是大脑处理信息的基本单元，如运动神经、感觉神经等，科学家用电场和不同材料的基片来控制细胞的繁殖与分裂，在体外构建生物神经元。将来可用于控制人体假肢运动和治疗癌症。根据声生物分子的特异相互作用原理，将生化分析过程集成到生物材料制成的芯片上，可实现多项成分的快速检测，如DNA、蛋白、血糖等；多个试管、多套仪器等均可省略，只需一个生物芯片即可。神经元生物芯片

第二章仿生学简介第三节信息与控制仿生第三节信息与控制仿生一、基本概念：研究生物体内部的信息传递以及与外界的信息传递，仿生设计具有类似功能的新产品。信息与控制仿生与电子仿生有多方面的交叉。寒冷皮肤冷觉感受器兴奋垂体分泌甲状腺激素和粗肾上腺激素下丘脑体温调节中枢的分析综合传入神经刺激皮肤立毛肌收缩，产生鸡皮疙瘩骨骼肌不自主战栗产生热量增加皮肤血管收缩血流量减少散热减少甲状腺激素和肾上腺增加代谢增强产热量增加以寒冷刺激为例说明信息的传递

第二章仿生学简介第三节信息与控制仿生1、模仿苍蝇楫翅，设计导航振动陀螺仪苍蝇的后翅膀退化为哑铃状小棒，称为楫翅，也成为平衡棒。能做333次/秒的振动。调整振动频率可控制飞行姿态。所以苍蝇的平衡棒是天然的振动陀螺仪。二、信息与控制仿生实例：另外，利用苍蝇触角原理。可设计嗅觉传感器

第二章仿生学简介2、蝙蝠的超声波与雷达第三节信息与控制仿生蝙蝠用嘴发射超声波，用耳朵接收超声波，信息经大脑处理后确定食物或障碍物的方位与尺寸；雷达原理与其完全相同。可以捕捉飞行中的导弹、飞机等。

第二章仿生学简介第四节机械仿生第四节机械仿生一、机械仿生的概念机械仿生是指研究模仿生物的结构、形态运动状态，设计有生物特征的机械装置，并成为仿生机械。研究仿生机械的设计原理与设计方法的学科，成为仿生机械学。1970年，第一届生物机构研讨会在日本召开，确立了生物力学和生物机构学两个新学科，在此基础上形成了仿生机械仿生学这一学科。为研究仿生机械提供了的设计理论与方法。

第二章仿生学简介二、仿生机械学的研究内容第四节机械仿生仿爬行机械仿步行机械仿生机械学仿走行机械有腿爬行机械无腿爬行机械仿飞行机械仿鸟飞行机械仿昆虫飞行机械仿水中游动机械仿摆动身体或鳍游动的机械仿喷射水流游动的机械仿跳跃机械仿人体器官：肢体、心脏、耳、眼等

第二章仿生学简介第五节化学仿生一、化学仿生的概念二、化学仿生的内容模拟生物体内的化学反应，研究新产品1、模拟生物体内的化学反应，研制新型生物制品。生物体内的化学反应是在一种酶催化剂进行的，效率极高。研究生物体内酶的化学结构和催化机理，然后人工合成酶，用于化学反应的催化剂。研究生物体内分泌的化学物质，研制新型生物制品，用以诱杀昆虫。研究生物体内分泌的化学物质，研制新型生物农药制品。

第二章仿生学简介第五节化学仿生2、模拟生物体内的物质输送过程，研究物质分离与提取的新方法。3、模拟生物体内的能量转换过程，研制新型生物制品生物体内的物质输送、浓缩与分离的能力很强，如海带能吸收海水中的碘，大肠杆菌能吸收体内的钾等。

研究生物体的各种元素的传递与输送过程，为物质的提纯提供一条全新的途径。

生物体内的能量转换主要通过化学反应进行的，如萤火虫的发光是把化学能转换为光能，在荧光酶作用下，体内荧光素在细胞水分作用下，发出冷光；人类从萤火虫体内取出荧光酶和荧光素，并进行人工合成，研制出荧光灯泡。电鳗鱼尾部两侧排列有非常多的肌肉薄片，每片相当于微电池，需要时众多电池连接起来，产生高达600V的电压，为生物发电提供了创新途径。

第二章仿生学简介第六节建筑仿生一、概述;以自然界生物的形状与结构为研究对象，探讨、完善、改进建筑物的设计。二、建筑仿生实例;1、仿蜂窝结构：具有六角形状的蜂窝结构，具有质量小、强度大的特点，广泛应用在建筑材料领域。板材梁、柱车轮

第二章仿生学简介第六节建筑仿生2、仿贝壳类建筑贝壳薄而坚硬，质地轻巧。在外力作用下，作用力沿整个外壳分布扩散，非常耐压。因此，建筑学家模仿贝壳结构，设计了许多贝壳式建筑。这些建筑物质量轻，承载能力大，节省材料，且外形独特美观。

第二章仿生学简介第六节建筑仿生3、拱形类建筑拱形类建筑在承受压力时，压力向两端传递，故承载能力大。人类利用拱形的力学特性，创造了许多拱形建筑。拱形建筑不仅承载能力大，而且使用寿命长。我国的赵州桥已经有1400年的历史，仍然完好。

第二章仿生学简介第六节建筑仿生4、螺旋式建筑车前子的叶子呈螺旋状向上排列，叶片夹角为137°30′30″，符合合理利用阳光的排列；建筑学家利用车前子叶片的分布特性，创造了许多螺旋状建筑。螺旋建筑不仅外形独特，各房间采光特性都好。

第二章仿生学简介第五节化学仿生4、充气式建筑：植物和动物体内的细胞中充满液体或气体，产生静压力，称为细胞胀压。利用细胞胀压原理，人类设计出许多充气建筑物。充气拱门充气车库充气体育馆

第二章仿生学简介第七节医学仿生一、概述;模仿生物生命特征及其组织结构，研制具有生物组织器官特征的装置。医学仿生涉及大量的其他学科，如生物学科、材料学科、机械学科、电子学科以及控制学科等；医学领域的仿生已经取得许多重大成果。一、仿生皮肤与皮肤再造皮肤细胞有再生能力，在人体表面取出健全的皮肤细胞，在实验室中进行皮肤细胞繁殖生长，1平方厘米大小的皮肤样本，两周后可生长出覆盖人体全身的皮肤组织，为抢救烧伤病人提供了美好的前景。目前，模仿皮肤功能，已经发明了电子皮肤

第二章仿生学简介第七节医学仿生二、仿生肌肉人的肌肉由肌动蛋白与肌凝蛋白纤维组成，只要分解微量的三磷腺苷元素，可产生巨大能量，是高效驱动器。记忆合金、高分子凝胶都可以作为人工肌肉；液压和气压驱动也可以作为人工肌肉。气动肌肉气动肌肉驱动的仿生手臂

第二章仿生学简介第七节医学仿生三、仿生眼与视网膜视神经物体经过眼睛的晶状体透镜反射到视网膜上，再视神经传递到大脑处理后，判断可视物体情况。据此原理。人们设计了仿生电子眼。利用微型摄像机将图像传递到植入体内芯片中，再将图像信号转换为电信号，刺激视神经，可使盲人重见光明。如果视网膜损坏，可植入人工视网膜仿生眼视网膜仿生视网膜

第二章仿生学简介第七节医学仿生四、生物细胞芯片细胞芯片是以活细胞作为研究对象的一种生物芯片，由健康细胞和电子集成电路经过特殊方法结合的微型装置。通过调节电压可以激活不同的人体细胞，修补人体病变的癌细胞，植入人体后可以治疗许多疾病。生物芯片生物细胞芯片治疗癌症图

第二章仿生学简介第七节医学仿生五、仿生神经:仿生神经用于代替无法向肢体传递大脑信息指令的受损神经，科学家正在尝试在大脑与肢体之间植入电极，实现无线遥控肢体的仿生神经；或采用神经肌肉接口，使残存的神经和肌肉控制假肢，目前已经接近自然控制结果。图示为仿生神经控制的假手

第二章仿生学简介第七节医学仿生a为传声器，b为细导线，将传声器连接到语音处理器，c为语音处理器；d为传输线圈；e为接收器；f为电极阵列；g为耳蜗；h为听觉神经。六、仿生耳蜗:仿生耳蜗采用3D技术打印，形象逼真，内部植入电子元件，试试目前较为成功的仿生器官；仿生耳蜗由微型麦克接收声音，经由语音处理器c，电极列阵f，到听觉神经，最后传递到大脑。

第二章仿生学简介第七节医学仿生七、仿生心脏左心室收缩，通过主动脉血管输送到身体各部分；静脉血由上腔静脉和下腔静脉回流发到右心房和右心室，然后进入肺动脉。血液由肺部获得氧气后经过肺静脉进入左心房和左心室，获得充足的氧分后，经肺静脉回流左心房，又由左心室经主动脉送往全身的器官和组织。心脏以固定的频率收缩和舒张，引起循环血液的往复运动，完成心脏的泵血。心脏系统主要由右心房、右心室，左心房、左心室，静、动脉血管及瓣膜组成。心脏实际上就是一个动力泵，不断泵出新鲜血液通过动脉血管到身体的各个部分，通过静脉回收的血液经肺循环补充氧分后再由心脏动脉流出。

第二章仿生学简介第七节医学仿生仿生人工心脏通过一个内置涡轮泵，将人体血液从左心室通过动力泵输送到主动脉，之后凭借安装在腹部的电源提供的动力，向身体各个部位不间断供血，持续不断的血流不会产生脉动。机械心脏内部的磁场，使送往全身的器官和组织。心脏以固定的频率收缩和舒张，引起循环血液的往复运动，完成心脏的泵血。

第二章仿生学简介第七节医学仿生八、仿生关节仿生关节主要有上肢的肩关节、肘关节和腕关节，下肢的髋关节、膝关节和踝关节。仿生关节的研究起步早，应用也成熟。髋关节膝关节肩关节肘关节

第二章仿生学简介第七节医学仿生九、仿生肢体仿生肢体主要有上假肢和下假肢，假肢设计中的主要工作还是关节的设计。假肢关节有铰链型关节和连杆型关节。详细内容将在第十章讲述。

第二章仿生学简介第七节医学仿生十、仿生电子人仿生电子人是人与机器的结合，—部分是人，一部分是机器。把一些人造电子仿生组织或器官组装到人体中；所以，如果人造电子仿生组织或器官出了问题，被安装者也不必去医院，因为医生可以通过发送无线电信号来改变人造电子仿生组织或器官中的程序，从而远程“医治”“有病”的人造电子仿生组织或器官。

第二章仿生学简介第八节动物界的奇特现象与仿生第八节动物界的奇特现象与仿生一、动物界的奇特现象自然界之大，无奇不有。现列举几项。1、有些蜥蜴会在空中滑翔2、有些蜥蜴会在水面奔跑3、有些山羊会上树（偶蹄类动物不会爬树）非洲摩洛哥的山羊喜欢吃树上的坚果，逐渐学会爬树。蜥蜴在水面快速奔跑时，爪子接触水面会产生气泡，气泡破裂时产生的力推动蜥蜴前进东南亚丛林中的一种蜥蜴两侧长有翼膜，可在看空中滑翔。

第二章仿生学简介第八节动物界的奇特现象与仿生4、有些动物具有超强的能力一只蚂蚁能够举起超过自身体重400倍的东西，能够托运超过自身体重1700倍的物体。蚂蚁能产生如此非凡超常的力量。蚂蚁的肌肉含有一种结构非常复杂的含磷化合物，称为三磷酸腺苷（ATP），是一种特殊的“燃料”，只要肌肉在活动时产生一点酸性物质就能引起这种“燃料”的剧烈变化，这种变化能使肌肉蛋白的长形分子在霎那间收缩起来，产生巨大的力量直接释放出来变为机械能，加之不存在机械摩擦，所以几乎没有能量的损失。

第二章仿生学简介第八节动物界的奇特现象与仿生5、有些动物具有再生能力再生能力广泛存在于动植物中，对动植物的生存重要意义。一些动物德智体弄断了的部分在以后还能再长出来，称为动物学的“再生”。在植物学上的再生能力是指植物营养器官形成自己没有的其他部位的能力。如插枝后长出叶、茎、根等。很多动物都有一定的再生能力，如蜥蜴类的尾巴、四肢断掉后可以再生；虾蟹类的腿可以再生、蟹的眼睛可以再生；哺乳动物只有鹿的角可以再生，人的皮肤可以再生。再生能力于细胞的繁殖与生长；利用干细胞产生,修复破损的组织、器官,被称为再生医学。。

第二章仿生学简介第八节动物界的奇特现象与仿生6、海上飞鱼飞鱼在水下加速，游向水面时，鳍紧贴着流线型身体，冲破水面后就把大鳍张开，尚在水中的尾部快速拍击，从而获得额外推力。等力量足够时，尾部完全出水，于是腾空，能够跃出水面十几米，可以在海中以每秒10米的速度高速运动。空中连续的滑翔的时间可达40多秒，飞行的最远距离有400多米。飞鱼可做连续滑翔，每次落回水中时，尾部又把身体推起来。再一次进行滑翔。。

第二章仿生学简介第八节动物界的奇特现象与仿生二、对动物奇特现象的思考动物的奇特现象有许多，可以为人类进行创新设计提供思维途径。如：研究动植物的再生原理，可设想利用细胞再生现象研究人体器官的再生，为器官移植服务。利用蜥蜴水面行走原理，研究能仿生水泡的鞋，实现人的水上飞。利用蚂蚁肌肉的三磷酸腺苷（ATP）特性，增大人体肌肉力，从而增加人的体力。有些动物可以用皮肤呼吸，离开水的鳗鱼、动眠的青蛙等；研究皮肤呼吸的机理对治疗一些特殊病人至关重要。飞鱼原理可以用来研究会飞的潜水艇等。

第二章仿生学简介第八节动物界的奇特现象与仿生第二章结束。第二篇机械学基础BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY98第三章机械结构学基础BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY99第三章机械结构学基础第一节机械的基本概念及组成一、机器、机构与机械1、机器的概念第一节机械的基本概念及组成机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料或信息。机器的重要特征是执行机械运动和能量、信息的传递与变换。生活中常见的汽车、飞机、舰船、车床、印刷机、包装机，尽管其功能外形等不同，但都是机器。因为他们大都执行机械运动，也有能量的变换。100第三章机械结构学基础第一节机械的基本概念及组成2、机构的概念凡是执行机械运动的装置，称为机构。机构的重要特征是执行机械运动。在四冲程内燃机中，活塞1的往复移动通过连杆2推动曲轴3连续旋转。这种把活塞移动转化为曲轴连续转动的机械运动装置为连杆机构。凸轮7、7’转动，驱动推杆8、8’往复移动，称之为凸轮机构。再通过杠杆机构9、9’，驱动气门10、10’的开启，控制进、排气阀的运动，保证缸体11内按顺序吸进燃气和排出废气。101第三章机械结构学基础四冲程内燃机中，活塞往复移动四次，曲轴转动两周，进气阀和排气阀各启闭一次，所以凸轮的转数要比曲轴的转数低一倍。也就是说，在曲轴和凸轮轴之间要设置减速齿轮4、5、6，称之为齿轮机构。齿轮机构实现了转动到减速转动的运动变换。其中，连杆机构、齿轮机构、凸轮机构都是执行具体机械运动的机构。第一节机械的基本概念及组成工程中，常用简单的线条和符号表示机构的组成情况。一般情况下，机器中包含至少一个机构。图示内燃机中包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构。102第三章机械结构学基础3、机械的概念第一节机械的基本概念及组成机器和机构都是执行机械运动的装置，从运动学观点看，二者是一样的，故把机器和机构统称为机械。谈到具体的机械时，一般称为机器（machine），如拖拉机、印刷机、飞机等。泛指时，一般称为机械（machinery）如工程机械、印刷机械、纺织机械、建筑机械等。以后，当不谈到具体机器时，一般称为机械。103第三章机械结构学基础二、机器的组成第一节机械的基本概念及组成机器中含有原动机，为工作提供动力；还有机械运动的传动装置和工作执行装置，还有控制装置。其中运动传动装置和工作执行装置有称为机械运动系统。104第三章机械结构学基础第一节机械的基本概念及组成图示汽车中，发动机为原动机，为行驶提供动力；变速箱、传动轴等为传动系统，车轮为工作执行装置，变速杆及方向盘为控制系统；图示牛头刨床中，找出原动机和传动系统。第三章机械结构学基础第一节机械的基本概念及组成仿生机械中，经常有多个原动机，这样动作就更加灵活。图示机械手，有腰关节电机、肩关节电机、肘关节电机和腕关节电机，夹持器是执行装置。图示四足仿生机器人中，每条腿有三个驱动电机，由计算机控制。106第三章机械结构学基础一、零件与构件第二节运动链与机构零件是指组成机器的最小制造单元，如一个齿轮、螺钉、螺母等。都是通过单一机械加工制造出来的，所以都是零件。构件是指组成机器的最小运动单元。图示为内燃机，其中箱体4、活塞3、连杆2和曲轴1都是构件。构件可能是一个零件，也可能是几个零件的刚性组合。内燃机中的连杆为一个构件，由连杆体、连杆头、螺栓、螺母、垫圈、轴瓦等几个零件刚性组合在一起的。107第三章机械结构学基础第二节运动链与机构二、运动副：1、运动副的概念：两个构件之间具有相对运动的连接，叫运动副。运动副的本质是一种连接，但被连接构件之间要有相对运动，否则就是固接。图中的构件1和构件2用凸球面和凹球面连接起来，可以实现看空间三维转动，在运动过程中，两构件需要保持接触。108第三章机械结构学基础第二节运动链与机构2、运动副的分类：按照两构件的相对运动分类运动副分类按照两构件之间的接触方式分类按照两构件之间提供的约束数量分类两个构件之间用运动副连接起来，彼此互相约束，必然保持接触，而且可以相对运动，因此运动副可以按照构件之间的约束数量、相对运动形式、接触形式进行分类。109第三章机械结构学基础第二节运动链与机构（1）按照构件间的相对运动方式分类：（1）按照两构件的相对运动分类转动副：两构件之间的相对运动为转动的运动副移动副：两构件之间的相对运动为移动的运动副圆柱副：两构件之间的相对运动为移动和转动的运动副转动副

螺旋副

移动副

圆柱副

110第三章机械结构学基础第二节运动链与机构（2）按照两构件间的接触方式分类低副：两构件之间为面接触的运动副高副：两构件之间为点、线接触的运动副（2）按照构件间的接触方式分类：111第三章机械结构学基础第二节运动链与机构（3）按照构件间约束数量分类：（3）按照两构件间的约束数量分类

Ⅰ类副：提供一个约束的运动副，称为Ⅰ类副

Ⅱ类副：提供二个约束的运动副，称为Ⅱ类副

Ⅳ类副：提供4个约束的运动副，称为Ⅳ类副

Ⅲ类副：提供三个约束的运动副，称为Ⅲ类副

Ⅴ类副：提供五个约束的运动副，称为Ⅴ类副

112第三章机械结构学基础第二节运动链与机构4、五类运动副符号如下：Ⅰ类副Ⅱ类副Ⅲ类副Ⅳ类副Ⅴ类副C=1,f=5少用C=2,f=4少用C=3,f=3常用C=4,f=2常用C=5,f=1常用C=2,f=4少用C=3,f=5少用C=4,f=2不常用C=5,f=1常用12113

5、常见运动副动画转动副移动副齿轮副凸轮副球面副圆柱副球销副螺旋副第二节运动链与机构114第三章机械结构学基础名称

图形符号名称

图形符号杆件固定连接转动副二副杆移动副三副杆电动机螺旋副深沟球轴承6、常见构件与运动副的表示方法115第三章机械结构学基础名称

图形符号名称

图形符号单向推力轴承齿轮齿条机构凸轮机构锥齿轮机构带传动机构蜗杆传动机构链传动机构棘轮机构116第三章机械结构学基础名称

图形符号名称

图形符号外啮合齿轮机构联轴器内啮合齿轮机构离合器117第三章机械结构学基础7、运动副元素;两构件在运动副处所参与接触时形成的点、先、面部分，称为运动副元素。如内燃机连杆和曲轴以转动副连接，对曲轴而言，外圆柱面是运动副元素，对连杆大端而言，连杆内圆柱孔为运动副元素；方形平面为运动副元素齿廓曲线为运动副元素凸轮轮廓曲线为运动副元素第三章机械结构学基础课程常用的构件一般表示方法杆、轴构件固定构件同一构件第三章机械结构学基础在表示构件时，仅关心构件的长度尺寸，不关注构件的材料、截面形状及截面尺寸、强度等常用的带副构件的一般表示方法第三章机械结构学基础两运动构件构成的运动副转动副移动副12121212121212121212121212两构件之一为固定时的运动副1221212121平面高副121第三章机械结构学基础1、运动链的概念;若干个构件用运动副连接起来后，所组成的能做相对运动的构件系统，称为运动链。如图a所示的四个构件用四个转动副连接起来,组成四杆铰链型运动链；图b所示的四个构件用3个转动副一个移动副连接起来,也组成一个四杆运动链；图c为一个构件，两端圆圈代表运动副元素。三、运动链(a)(b)(c)122第三章机械结构学基础2、运动链分类;(1)按运动链是否首尾封闭，分为闭链和开链。1）闭链：组成运动链的各构件形成一个首尾封闭的构件系统。称之为闭链。2）开链：组成运动链的各构件没有形成一个首尾封闭的构件系统。称之为开链。图中(a)、(b)、(c)为闭链，(d)、(e)为开链；开链中，首尾构件只有一个运动副元素。如构件3、4.(a)(b)(c)（d）(e)123第三章机械结构学基础(2)按各构件的相对运动分类，可分为平面运动链和空间运动链。1）平面运动链：组成运动链的各构件在同一平面或平行平面内运动。称为平面运动链。2）空间运动链：组成运动链的各构件不在同一平面或平行平面内运动。称为空间运动链。图中(a)、(b)为平面运动链，(c)、(d)、(e)为空间运动链；其中，（e）为空间开链，空间在仿生机械中有广泛应用。(a)(b)(c)（d）(e)s124第三章机械结构学基础四、机构1、定义：把运动链中的某一个构件固定不动，该运动链称为机构。2、机构分类：同运动链类似，机构也可以按照是否封闭和运动形式分类。（1）按构件系统是否封闭，分为闭链机构和开链机构。图中(a)(b)为平面闭链机构。(c)为平面开链机构。（2）按构件运动平面，分为平面机构和空间机构。(d)为空间开链机构，（e）为空间闭链机构。SS4321(a)(b)(c)（d）(e)125第三章机械结构学基础第二节运动链与机构连杆机构凸轮机构齿轮机构棘轮机构槽轮机构不完全齿轮机构凸轮式间歇运动机构间歇运动机构一些简单机构126第三章机械结构学基础第三节机构运动简图一、机构运动简图1、定义：用简单的线条和图形符号表示机构组成情况的简单图形，称为机构简图。若按照比例尺画出，称为机构运动简图；否则为机构示意图。

图示曲柄活塞机构的机构简图为：机构简图是机械设计中非常重要的环节第三节机构运动简图第三章机械结构学基础第三节机构运动简图2、机构运动简图画法1.找出主动件和从动件；绘制步骤：4.依据机构中各运动副间的实际相对位置，按比例尺在相应位

置处绘制各运动副；2.沿运动传递路径，确定构件数目和运动副的类型与数目；3.选择大多数构件所在的平面为投影面，确定比例尺：ul

=实际尺寸(m或mm)/绘图尺寸(mm)；5.依据机构中构件与运动副的链接关系，用线条表示各构件；6.在图中标出主动件，并为各构件(1,2,3…)及运动副(A,B,C…)

编号。第三章机械结构学基础第三节机构运动简图3、例题1.找出主动件和从动件；例1.绘制图示泵机构的机构运动简图。2.沿运动传递路径，确定构件数目和运动副的类型与数目；构件数：偏心盘1、连杆2、滑块3,、外壳（机架）4运动副：偏心盘1和转轴4在A点以转动副连接偏心盘1和连杆2在B点以转动副连接连杆2和滑块3在C点以转动副连接滑块3和机架4以移动副连接主动件从动件机架4321CBA

4第三章机械结构学基础第三节机构运动简图3.选择大多数构件所在的平面为投影面，确定比例尺：

μl

=实际尺寸(m或mm)/绘图尺寸(mm)；6.各构件(1,2,3…)及运动副(A,B,C…)编号，并标出主动件。4.依据机构中各运动副间的实际相对位置，按比例尺

在相应位处绘制各运动副；5.根据构件与运动副的链接关系，用线条表示各构件；4321CBA

41234ABC第三章机械结构学基础第三节机构运动简图1.齿轮1为主动件，刨头2为从动件；例2.绘制图示牛头刨床的机构运动简图。2.沿运动传递路径，确定构件数目和运动副的类型与数目；构件数：齿轮1、2，滑块3,杆件4、5、6，为6个可动构件，机架7为固定构件。

3.选择大多数构件所在的平面为投影面，确定比例尺：

μl

=实际尺寸(m或mm)/绘图尺寸(mm)；第三章机械结构学基础第三节机构运动简图4.依据机构中各运动副间的实际相对位置，按比例尺在相应位置处绘制各运动副；5.依据机构中构件与运动副的链接关系，用线条表示各构件；6.在图中标出主动件，并为各构件(1,2,3…)及运动副(A,B,C…)编号。第三章机械结构学基础第三节机构运动简图1.由活体大狗转换为解剖大狗或骨骼结构图例3.绘制图示大狗的机构运动简图，仅考虑四肢系统。2.找出各肢体的连接部分以及肢体数量，肢体简化为构件，肢体连接简化为运动副。3.找出各肢体的连接部分以及肢体数量，肢体简化为构件，肢体连接简化为运动副。4.测量各运动副之间尺寸，选择比例尺和投影面，画机构运动简图和实用机构图。大狗透视图骨骼结构图机构运动简图简化的机构运动简图第三章机械结构学基础第三节机构运动简图仿生机机械设计的最重要之处就是学习绘制待模仿动物的机构运动简图，然后加以简化。例4.绘制图示鸽子躯体的机构运动简图。图示为鸽子的躯体结构和对应的机构简图。未画出头颈部。第三章机械结构学基础第三节机构运动简图例5.绘制图示人体上肢的机构运动简图。人体上肢结构复杂，特别是肘关节、腕关节以及各肢骨都很复杂，绘制机构简图是要做必要的简化。可以先尝试运动自己右臂，了解关节运动、对照骨骼结构图简化。肩关节为球面副；肘关节为球销副或转动副；腕关节、指关节为转动副；小臂简化为1个构件，手掌骨简化为1个构件。第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算一、平面机构自由度的计算第四节机构自由度的计算1.构件自由度：自由构件在平面内的独立运动数量2.运动副的约束xOyAB自由构件AB在平面内有3个自由度两个构件由运动副连接后，构件运动受到运动副的约束；转动副C=2,f=1平面高副C=1,f=2移动副C=2,f=1第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算3.运动副的自由度：连接两构件的运动副所提供的独立运动个数。

图示转运动副中，只有1个转动自由度，

图示移运动副中，只有1个沿x轴移动的自由度，

图示转高副中，有1个绕接触点转动的自由度和1个沿公切线移动的自由度。转动副C=2,f=1移动副C=2,f=1平面高副C=1,f=2第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算给定1个独立运动，则有确定运动给定2个独立运动，则有确定运动第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算在平面内，1个活动构件有3个自由度，设机构中有n个活动构件，则活动构件自由度总数为3n.（2）机构自由度计算公式机构自由度为各构件自由度数减去各运动副提供约束在总和xOyAB

F=3n-2Pl

-Phn:机构中可动构件的数目Pl

:机构中低副的数目Ph

:机构中高副的数目第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算（3）机构自由度计算例题例1.计算下图所示5杆机构的自由度5ABCDE54321例2.计算下图所示凸轮机构的自由度O231n=4Pl

=5Ph

=0F=3n

–

2Pl

–

Ph=12–

10

–0=2n=2Pl

=2Ph

=1F=3n

–

2Pl

–

Ph=6–4

–1=1第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算（3）机构自由度计算例题例3.计算下图所示机构的自由度n=5Pl

=7Ph

=0公式：F=3n

–

2Pl

–

PhF=15–

14=1例3.2例3.1n=6Pl

=8Ph

=1F=18–

16

-1=1第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算二、机构具有确定运动的条件当机构的独立运动参数等于机构主动件个数时，该机构有确定的相对运动。自由度等于1，说明该机构需要1个主动件，或一个独立运动或机构主动件个数等于机构自由度数，该机构有确定的相对运动。自由度为2，说明该机构需要两个主动件机构自由度数是结构固有属性，机构的主动件数是认为选定的。第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算三、计算机构自由度注意事项

1、注意机构中的冗余自由度123指机构中不影响其他构件运动的自由度，叫冗余自由度，也叫局部自由度。F=3n–2Pl

–Ph=9–6

–1=2n=3Pl

=3Ph

=1该机构具有1个独立运动既有确定运动，滚子2绕自身轴线的转动不影响机构运动，故称为冗余自由度。应该全去掉，可将滚子2与杆3固接。1234F=3n–2Pl

–Ph=6–4

–1=1n=2Pl

=2Ph

=1第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算2、复合铰链两个构件只能用一个运动副连接，若两个以上构件在同一处以转动副连接，则出现复合铰链。212121两个构件的铰链连接多个构件的铰链连接213213复合铰链的个数：m个构件在一起用转动副连接，转动副的个数为m-1第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算3.冗余约束:

对机构运动不起限制作用的约束，叫冗余约束，也叫虚约束。123ABCD5E平行四边形机构ABCD中，自由度为1，若在连杆BC和机架AD之间用转动副连接一个构件EF，使EF=AB=CD,且相互平行，此时该机构的自由度为零。这是因为作图中连杆E点的轨迹是以F为圆心，EF为半径的圆，当用EF杆件连接后，并没有改变E点的运动性质，因此EF杆件引入的约束是多余的，没有起约束作用。

F=3n-2Pl

-Ph=12-12

-0第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算（1）

两构件在多处由转动副连接，且各转动副轴线重合，只计入一处转动副，其余为冗余约束。12AB12AB3CD12AB3从运动学观点看，冗余约束是多余的，但从结构学观点看，冗余约束是必要的，可提高机构的刚度。冗余约束的判断较难，对出现在以下场合：第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算（2）

两构件在多处由移动副连接，且各移动副导路平行，只计入一处移动副，其余为冗余约束。12AB12A图示牛头刨床机构中，构件6和机架7在E、F点两处用移动副连接，且导路平行，只计入一处移动副，另一个为冗余约束。F=3n–2Pl

–Ph=18-16-1=1第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算（3）

两构件在多处由高副连接，且各高副接触点的公法线重合，只计入一处高副，其余为冗余约束。nnBA第三章机械结构学基础第四节机构自由度的计算（4）不起约束作用的构件导致冗余约束双滑块机构中，A点的轨迹为以OA为半径，O为圆心的圆。F=0DCBAOAB若以带有两个转动副的构件OA连接BC和机架，则产生冗余约束。处理方法：去掉带有