1、仿生学的研究内容、仿生学的研究内容第八章第八章 仿生机构概述仿生机构概述8-1 概述概述仿生学的主要研究内容有：仿生学的主要研究内容有：1电子仿生：电子仿生： 模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等胞内和细胞间通信、动物间通信等 研制人工神经元电子模型和神经网络、高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灵敏小型气体分析仪等。模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等。 2控制仿生：控制仿生：模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等与导航等;研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂等生物的蜜蜂等生物的“天然罗盘天然罗盘”、鸟类和海龟等动、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等。物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等。3机械仿生：机械仿生：模仿动物的走、跑、飞、游等运动，运用机模仿动物的走、跑、飞、游等运动，运用机构设计和力学原理，研制各种步行、操作等构设计和力学原理，研制各种步行、操作等机械装置，寻求机器人、车辆、舰船、飞行机械装置，寻求机器人、车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理与方法。器的最佳设计原理与方法。机械仿生是本章重点介绍的内容，也是仿生机械仿生是本章重点介绍的内容，也是仿生机构学的主要任务。机构学的主要任务。5医学仿生：医学仿生： 包括人工脏器的研制、生物医学图像识别包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。以及医学信号的分析处理等。4化学仿生：化学仿生： 模仿光合作用、生物合成、生物发电、生模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等。物发光等。仿生学与机械学相互交叉、渗透，就构成了仿生学与机械学相互交叉、渗透，就构成了仿生机械学。仿生机械学。 6其它类仿生：其它类仿生： 研究建筑仿生（蜜蜂蜂巢的六边形结构）、研究建筑仿生（蜜蜂蜂巢的六边形结构）、农业仿生等。农业仿生等。 二、仿生机构二、仿生机构模仿生物的运动形态、生理结构和控制原理模仿生物的运动形态、生理结构和控制原理,设计制造出功能更集中、效率更高、应用范设计制造出功能更集中、效率更高、应用范围更加广泛并具有生物特征的机构，仿生机围更加广泛并具有生物特征的机构，仿生机构是仿生机械中完成机械运动的物质载体，构是仿生机械中完成机械运动的物质载体，是仿生机械的重要组成部分。是仿生机械的重要组成部分。仿生机构学的主要研究课题有：仿生机构学的主要研究课题有：拟人机械手、步行机构、假肢，以及模仿鸟类、拟人机械手、步行机构、假肢，以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机构。昆虫和鱼类等生物的各种机构。 机器人是仿生机构的重要应用领域，现在各国机器人是仿生机构的重要应用领域，现在各国都在大力开展机器人技术的研究。都在大力开展机器人技术的研究。 8-2 仿生机构的生物运动学基础仿生机构的生物运动学基础1 、两足步行动作的运动机理与分析、两足步行动作的运动机理与分析一一 、步行运动机理与分析、步行运动机理与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，足底推离两腿交替运动的人体重心稳定问题两腿交替运动的人体重心稳定问题人体质心的上下移动加速度，导致足底受力人体质心的上下移动加速度，导致足底受力Fz的值会大于或小于体重。的值会大于或小于体重。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2、 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前前腿腿与与后后腿腿弯弯曲曲差差别别人类模仿四足走行动作，臂和腿的弯曲角度人类模仿四足走行动作，臂和腿的弯曲角度与动物正好相反与动物正好相反腿腿臂臂手手脚脚头头人类模仿四足走行人类模仿四足走行3 、多足走行动作的运动机理与分析、多足走行动作的运动机理与分析6 足步行动作的运动机理与分析足步行动作的运动机理与分析8 足步行动作的运动机理与分析足步行动作的运动机理与分析多足步行动作的运动机理与分析多足步行动作的运动机理与分析蚂蚁、蟑螂、蝗虫等昆虫为蚂蚁、蟑螂、蝗虫等昆虫为6足步行生物足步行生物螃蟹、蜘蛛等螃蟹、蜘蛛等蜈蚣、菜青虫等蜈蚣、菜青虫等4足步行动作的运动机理与分析足步行动作的运动机理与分析猫科、犬科、食草类等大量动物都是猫科、犬科、食草类等大量动物都是4足动物足动物二二 、昆虫翅翼动作的运动机理与分析、昆虫翅翼动作的运动机理与分析三三 、爬行动作的运动机理与分析、爬行动作的运动机理与分析身体发生蠕动和挠曲运动身体发生蠕动和挠曲运动 四四 、鱼类动作的运动机理与分析、鱼类动作的运动机理与分析身体的摆动和鳍运动能产生推进力身体的摆动和鳍运动能产生推进力8-3 仿生与机构仿生与机构一一 、步行仿生机构、步行仿生机构二足步行机构二足步行机构二足步行机构二足步行机构 单足步行机构细节单足步行机构细节四足步行机构四足步行机构八足步行机构八足步行机构六足步行机构六足步行机构(a) 初始时初始时 (b)跨步跨步 (c)前进前进 (d)准备准备 (e)跨步跨步 (f)前进前进微型六足仿生机器人步态示意图微型六足仿生机器人步态示意图二二 、飞行仿生机构、飞行仿生机构1、通常采用闭环机构而不是开环机构、通常采用闭环机构而不是开环机构2、仿生变异机构：飞机机翼的仿生、仿生变异机构：飞机机翼的仿生三、三、 爬行仿生机构爬行仿生机构四四 抓取仿生机构抓取仿生机构抓取机构的仿生对象通常为人体上肢和人手。抓取机构的仿生对象通常为人体上肢和人手。1、 人体上肢的机构模型人体上肢的机构模型人体上肢的机构模型人体上肢的机构模型gong2 、拟人手指的机构模型、拟人手指的机构模型由平面六杆机构组成由平面六杆机构组成 R1、R2、R3分别表分别表示了手指的第一、二、示了手指的第一、二、三指节三指节R1为主动杆。为主动杆。3 仿生机械手的机构模型仿生机械手的机构模型仿生机械手为具有类似人类手的机能仿生机械手为具有类似人类手的机能 五指夹持五指夹持四指夹持四指夹持三指夹持三指夹持回转式机械手指回转式机械手指 连杆传动式机械手指连杆传动式机械手指内孔夹持式手指内孔夹持式手指齿轮传动机械手指齿轮传动机械手指 在仿生机械手的设计中，有时需要手臂连同在在仿生机械手的设计中，有时需要手臂连同在一起考虑。一起考虑。仿生机构设计构思仿生机构设计构思1、可动关节用球面副或转动副代替、可动关节用球面副或转动副代替2、肢体用构件代替、肢体用构件代替3、肌肉为构件运动的驱动力，设计时经常在关、肌肉为构件运动的驱动力，设计时经常在关节处加驱动力矩节处加驱动力矩4、把动物肌体机构化、把动物肌体机构化5、从动物的运动状态分析其能产生特定运动、从动物的运动状态分析其能产生特定运动的条件，为设计新机构服务。的条件，为设计新机构服务。6、在满足运动特征的同时，注意强度与刚度、在满足运动特征的同时，注意强度与刚度问题问题完