了得網工業技術_仿生機械學

內容簡介

仿生機械學涉及到仿生學和機械學，而仿生學又涉及到生物學、植物學以及動物學。因此，本書的體繫是在介紹生物學、植物學以及動物學的基礎上，再介紹仿生學基礎知識，然後介紹機械學的基礎知識，後介紹仿生機械學。形成生物學、植物學、動物學，仿生學、機械學和仿生機械學的體繫。本書內容分為三篇，第壹篇仿生學綜述，主要介紹仿生學的基礎知識，包括生物分類與進化，植物特征與力學特性、動物特征與運動特性；介紹仿生學的基本概念及其分類，包括電子仿生、信息與控制仿生、機械仿生、化學仿生、建築仿生、醫學仿生以及生物界的奇特現像與仿生等內容。本篇內容主要體現知識的科普性和趣味性。第二篇機械學基礎，主要介紹機械的基本知識、機構運動簡圖的繪制、機構自由度的計算、自由度與控制、變胞機構、機構運動分析、機構受力分析以及各種機械傳動機構，其目的把動物結構用機構簡圖來表示，然後計算其自由度、進行運動與動力分析，把動物結構機械化，用機械學的知識解決動物的組成與運動等問題。本篇內容主要說明仿生學向仿生機械學過渡中的基本知識；第三篇仿生機械學，主要介紹模仿動物步行的機器人的步態分析、腿部結構與設計、步行的穩定性等；介紹模仿動物爬行的機器人的運動原理及其設計、介紹模仿鳥類及昆蟲飛行的機器人的運動原理及其設計；介紹模仿魚類和其他動物在水中遊動的機器人的運動原理及其設計；介紹微型機器人的運動原理與設計方法以及仿生機械關節以及仿生機械臂的設計等。該篇內容是本書重點內容，設計到各類仿生機械的設計。

前言
緒論 1
節仿生學概述 1
第二節仿生機械學的研究內容、目的與
意義 4
第三節仿生遐想 10
篇仿生學綜述
章生物學基礎 14
節生物及其分類 14
第二節生物的多樣性 17
第三節生物的進化 19
第四節植物及其運動特性 22
第五節動物及其運動特性 30
第六節仿植物機器人綜述 42前言
緒論 1
節仿生學概述 1
第二節仿生機械學的研究內容、目的與
意義 4
第三節仿生遐想 10
篇仿生學綜述
章生物學基礎 14
節生物及其分類 14
第二節生物的多樣性 17
第三節生物的進化 19
第四節植物及其運動特性 22
第五節動物及其運動特性 30
第六節仿植物機器人綜述 42
第二章仿生學簡介 47
節仿生學及其研究內容 47
第二節電子仿生 51
第三節信息與控制仿生 54
第四節機械仿生 56
第五節化學仿生 64
第六節建築仿生 65
第七節醫學仿生 68
第八節動物界的奇特現像與仿生 72
第二篇機械學基礎
第三章機械結構學基礎 78
節機械的基本概念及組成 78
第二節運動鏈與機構 80
第三節機構運動簡圖 88
第四節機構自由度的計算 91
第五節機構的結構分析 99
第四章機械運動學基礎 105
節機械運動學概述 105
第二節平面連杆機構的基本類型及
演化 107
第三節平面連杆機構的基本性質 110
第四節平面連杆機構的設計 114
第五節平面連杆機構的運動分析 121
第六節平面開鏈機構的設計與分析 132
第五章機械力學基礎 137
節力分析概述 137
第二節平面閉鏈機構的力分析 139
第三節平面開鏈機構的力分析 143
第三篇仿生機械設計與分析
第六章仿動物步行的機械及其設計 148
節步行機械概述 148
第二節步行機械的腿及其設計 149
第三節步行機械的步態分析 156
第四節仿生步行機械繫統的運動方程 162
第五節仿生跳躍機械的設計與分析 167
第七章仿動物爬行的機械及其設計 171
節爬行動物概述 171
第二節仿生機械尺蠖及其設計 175
第三節仿生機械蚯蚓及其設計 176
第四節仿生機械蛇及其設計 178
第八章仿動物飛行的機械及其設計 187
節飛行動物概述 187
第二節飛行機理簡介 193
第三節昆蟲的飛行與仿生設計 195
第四節鳥類的飛行與仿生設計 199
第九章仿動物水中遊動的機械及其
設計 205
節水中遊動的動物概述 205
第二節遊動機理分析 208
目錄Ⅸ
第三節仿生機械魚的設計與分析 211
第四節仿生機械水母的設計與分析 217
第五節仿生機械墨魚的設計與分析 221
第十章仿人體組織結構的機械及其
設計 225
節概述 225
第二節仿生關節的設計與分析 230
第三節仿生人體上肢的設計與分析 235
第四節仿生人體下肢的設計與分析 241
參考文獻 246

前言

創新是一個民族進步的靈魂, 是國家興旺發達的不竭動力。一個國家的創新能力決定了它在國際競爭和世界總格局中的地位, 因此, 我國正在為創建一個國家創新體繫而努力。國家創新體繫包括知識創新繫統、技術創新繫統、知識傳播繫統和知識應用繫統。其中, 知識創新繫統的核心部分是國家科學研究機構和研究型的大學; 技術創新繫統的核心部分是企業; 知識傳播繫統的核心部分是高等教育繫統以及職業培訓繫統; 知識應用繫統的主體則是企業和社會, 主要是知識和技術的應用。
仿生學則是通往創新的重要途徑, 為人類的創新活動提供創新思維的靈感和方法,已經為科學技術的發展和人類社會的發展做出了重大貢獻。
在全人類的文明史中, 我國早涉及仿生學的應用。我們的漢字就是典型的仿生結果。漢字是像形文字, 其實就是模仿生物界各種形狀的文字, 經過多年的演化, 形成了現在的漢字。因此, 中國人很早就留下了模仿自然界植物與動物特征的痕跡。我們的祖先巢氏模仿鳥類在樹上築巢, 以躲避兇猛動物的攻擊; 相傳在春秋戰國時期的魯班借鋻草葉的齒形邊緣, 制造出木鋸, 推動了木材加工及木質建築的發展; 據《韓非子》記載, 魯班曾用竹木作鳥“ 成而飛之, 三日不下” 。古人通過對水中魚類的觀察與模仿,伐木鑿船, 做成魚形的船體, 仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓, 由此實現了水上自由航行, 促進了水上交通的發展; 我國河北省的趙州橋和西北地區的窯洞, 采用了承受外力很強的拱形設計, 這些都是典型的仿生學的具體應用。但人類早期的仿生研究是在長期生產實踐活動中進行的, 沒有形成仿生學的基本理論與方法。創新是一個民族進步的靈魂, 是國家興旺發達的不竭動力。一個國家的創新能力決定了它在國際競爭和世界總格局中的地位, 因此, 我國正在為創建一個國家創新體繫而努力。國家創新體繫包括知識創新繫統、技術創新繫統、知識傳播繫統和知識應用繫統。其中, 知識創新繫統的核心部分是國家科學研究機構和研究型的大學; 技術創新繫統的核心部分是企業; 知識傳播繫統的核心部分是高等教育繫統以及職業培訓繫統; 知識應用繫統的主體則是企業和社會, 主要是知識和技術的應用。
仿生學則是通往創新的重要途徑, 為人類的創新活動提供創新思維的靈感和方法,已經為科學技術的發展和人類社會的發展做出了重大貢獻。
在全人類的文明史中, 我國早涉及仿生學的應用。我們的漢字就是典型的仿生結果。漢字是像形文字, 其實就是模仿生物界各種形狀的文字, 經過多年的演化, 形成了現在的漢字。因此, 中國人很早就留下了模仿自然界植物與動物特征的痕跡。我們的祖先巢氏模仿鳥類在樹上築巢, 以躲避兇猛動物的攻擊; 相傳在春秋戰國時期的魯班借鋻草葉的齒形邊緣, 制造出木鋸, 推動了木材加工及木質建築的發展; 據《韓非子》記載, 魯班曾用竹木作鳥“ 成而飛之, 三日不下” 。古人通過對水中魚類的觀察與模仿,伐木鑿船, 做成魚形的船體, 仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓, 由此實現了水上自由航行, 促進了水上交通的發展; 我國河北省的趙州橋和西北地區的窯洞, 采用了承受外力很強的拱形設計, 這些都是典型的仿生學的具體應用。但人類早期的仿生研究是在長期生產實踐活動中進行的, 沒有形成仿生學的基本理論與方法。
仿生學正式誕生於1960 年9 月, 在美國俄亥俄州的戴頓召開的次世界仿生學會議中, 美國的生物學家J. E. 斯梯爾把仿生學定義為“ 模仿生物原理來建造技術繫統,或者使人造技術繫統具有或類似於生物特征的科學” , 並將這一新興的科學命名為“ Bionics”
。1963 年, 我國學者將“ Bionics” 譯為“ 仿生學” 。通過研究生物體的結構、功能和性能機理, 並將這些機理移植於工程技術之中, 發明性能更加優越的儀器、裝置或機器, 創造新技術, 是研究仿生學的主要目的。
隨著生物科學技術的飛速發展, 其他科學技術學科的科技人員逐漸發現了模仿自然界的生物可以提供許多更好的設計思想並能解決許多技術問題, 因此在仿生學的基礎上, 分別在機械工程領域、建築工程領域、醫學領域、化學工程領域、電子工程領域、材料工程領域、信息工程領域、控制領域等許多學科開展了仿生的研究, 促進了仿生學的迅速發展和與其他學科的交叉、滲透與融合, 並形成了許多分支, 仿生學已經成為推動科學技術發展的強大動力和連接生物科學與技術科學之間的橋梁。
作為一門獨立的學科, 仿生學就是模仿生物的科學。從生物學的角度來說, 仿生學屬於“ 應用生物學” 的一個分支; 從工程技術方面來看, 仿生學根據對生物繫統的研究, 為設計和建造新的技術設備提供了新原理、新方法和新途徑。進入21 世紀後, 仿Ⅳ 仿生機械學生學取得了快速發展, 並形成了許多分支, 如仿生化學、仿生電子學、仿生機械學、仿生建築學、仿生信息學、仿生昆蟲學、仿生材料學、仿生醫學等。其中, 發展迅速、影響力、應用廣泛的是仿生機械學, 如仿生機器人已經成為世人皆知的智能化仿生機械。
為了科學技術的發展與時俱進, 很多高等工科學校的本科生或研究生都開設了仿生機械學的課程, 有些大學還將仿生機械學列入學科研究方向, 各種具體的仿生機器人的研究論文涉及面非常廣泛, 研究仿生學的學校和教師也非常多。但是, 反映仿生機械學內容的相關書籍卻很少, 更缺少相應的教科書。主要原因是仿生機械學是21 世紀新興的學科, 對該學科還沒有形成廣泛的共識。另外, 仿生機械學涉及生物學、植物學、動物學、力學、化學、物理學、建築學、醫學、機械學、材料學、計算機科學、傳感器技術、電子技術、信息與控制學等多學科的知識, 編寫覆蓋這樣龐大知識體繫的教材難度很大, 且編寫體繫與內容的選擇也是一個巨大的挑戰, 存在很大的難度。
考慮到社會的需求以及我們在從事仿生學、生物力學和機械學領域中的科研與教學經歷, 我們決定嘗試編寫“ 仿生機械學” 。
1. 編寫指導思想繫統性、知識性、趣味性、新穎性、科普性和應用性相結合是編寫本書的指導思想。在格式上力求圖文並茂。
(1) 繫統性本書力求從生物學基礎知識、仿生學基礎知識、機械學基礎知識到各種仿生機械的設計與分析, 形成一個完整的仿生機械學的新體繫。
(2) 知識性本書篇從生物進化、植物分類及其運動特性, 動物分類及其運動特性開始, 闡述人類模仿這些動植物特性對人類社會的貢獻, 進而論述仿生學科的誕生以及仿生學的分類, 使讀者得到一個完整的仿生學和仿生機械學的基本概念。第二篇的內容為學習仿生機械學打下基礎, 主要介紹機械學的基本知識: 為了把待模仿動物的肢體結構用機構簡圖來描述, 就必須首先學習機構以及機構運動簡圖的繪制, 這一過程是把動物肢體結構機械化的過程, 是學習仿生機械的根本。為模仿動物的運動, 必須對仿生機械的肢體實施控制, 而計算機構自由度則是控制仿生機械協調運動的依據; 此外,還要學習機構的運動分析和受力分析, 全面了解仿生機械的運動特性和力學特性, 這是仿生機械能否實用的基本標準。第三篇則介紹具體的仿生機械的設計與分析, 如模仿陸地上的步行動物的運動、爬行動物的運動以及跳躍動物的運動, 模仿天上飛的鳥類以及昆蟲類的飛行運動、模仿水中遊動動物的運動, 形成從陸地動物、海洋動物到空中飛行動物的完整的仿生機械設計與分析內容。後, 結合人體結構與損傷修復, 介紹模仿人體關節、上肢與下肢的設計機理與方法, 完善仿生機械學的內容。全書不僅自成繫統,還特別突出、加強了知識性內容。
(3) 趣味性為了突出趣味性, 本書在知識性的基礎上, 加強了具有科普性的趣味內容。比如, 動物按其運動形態分為步行動物、有腿爬行動物和走行動物, 它們之間的異同點在哪裡? 如何區別它們的運動差別呢? 本書給予詳細說明。走行動物是指步行肢向下垂直於動物身體, 如馬、牛、羊等, 它們是依靠四肢支承體重的, 它們的邁步稱為走行, 如同人類的行走一樣。有腿爬行動物的肢體由身體兩側向外伸出。如鱷魚、蜥蜴、螞蟻等動物, 由於它們的腿向身體外側伸出, 不能長期支承其體重, 邁步時隻能肚前言Ⅴ皮著地, 分擔腿部的承受力, 故稱為爬行動物。這類爬行動物和前述走行動物都是依靠腿的邁步實現運動的, 故統稱為步行動物。爬行動物又分為三類: 有腿爬行動物( 蜥蜴等) 、有足爬行動物( 尺蠖等) 和無足爬行動物( 蛇類等) , 對它們的運動機理進行分析, 具有知識性和趣味性。又比如, 國外文獻記載人體有206 塊骨骼, 中國研究人員發現中國人隻有204 塊骨骼, 差異在何處呢? 經過大量反復研究, 發現中國人的小腳趾骨有兩個關節, 而歐美人有3 個關節, 正好相差兩塊骨骼。後來又發現日本人與中國人一樣, 同樣有204 塊骨骼。又如本書中提到的仿生學遐想中人類鼕眠問題, 既是遐想, 但又具有前瞻性和趣味性。總之, 本書的趣味性內容與知識性、科學性內容相結合, 但又與課程內容密切相關, 增強了本書的可讀性。
(4) 新穎性仿生機械學的內容極其復雜, 涉及植物學、動物學、仿生學、醫學、機械學、控制理論、信息科學等大量一級學科的交叉知識, 且找不到類似文獻, 如何編排本書的體繫與內容, 成為挑戰。本書提出了生物學基礎、機械學基礎和仿生機械設計與分析的總體結構體繫; 具體內容包括植物及其運動特性, 動物及其運動特性, 模仿動植物結構與運動的仿生學, 動物的結構與運動的機械化描述以及運動自由度的計算, 肢體運動分析與受力分析, 模仿地上跑的、天上飛的、水裡遊的仿生機械設計等。
從內容和體繫都比較新穎完整, 是我國部全面介紹仿生機械學的書籍。
本書除介紹國內外的研究進展外, 還介紹了作者的觀點與研究成果, 如提出了主動關節和被動關節的概念。機器人手臂關節需要關節電動機驅動, 稱為主動關節; 而人類肢體上的仿生人工關節, 則稱為被動關節。這是因為該類人工關節由肌肉驅動, 所以和主動關節的設計有很大的不同。如肩關節是3 個自由度的球面副, 在主動關節設計中, 就不能采用3 個自由度的球面副, 或采用1 個單自由度的轉動副, 或采用2 個單自由度的轉動副組合代替, 其原因是很難控制球面副的3 個轉動。但是, 在被動肩關節中, 就必須采用3 個自由度的球面副, 因為從肩胛骨到肱骨之間由肌肉群驅動。鋻於上述原因, 在主動球面關節的設計中, 本書采用3 個自由度的空間並聯機構代替肩關節或髖關節的球面副; 在仿生機械魚的魚鰭設計中, 大都采用單自由度擺動關節結構, 本書提出了逼真的模仿魚鰭運動的2 個擺動副組合設計方案。
(5) 科普性本書略去了仿生機械的動力學設計、傳感繫統以及計算機控制算法等比較復雜的課程內容, 保留了動物運動形態的機械化描述以及運動分析與設計等仿生機械學的基本內容, 內容編排涉及面寬, 具有很好的仿生機械學的科學普及性, 很多人都能看懂, 也具有可讀性。
(6) 應用性學習就是為了用。本書突出各類動物運動特征的仿生設計, 並給出相應的仿生設計實例, 以適合仿生機械學的研究內容和具體的實際應用。
2. 體繫與內容仿生機械學涉及仿生學和機械學, 而仿生學又涉及生物學、植物學及動物學。因此, 本書的體繫是在介紹生物學、植物學以及動物學的基礎上, 再介紹仿生學基礎知識, 然後介紹機械學的基礎知識, 後介紹仿生機械設計與分析。形成生物學、植物學、動物學、仿生學、機械學和仿生機械學的體繫。
本書內容除去緒論外, 分為三篇, 篇為仿生學綜述, 主要介紹仿生學的基礎知識, 包括生物分類與進化, 植物及其運動特性、動物及其運動特性; 介紹仿生學的基本Ⅵ 仿生機械學概念及分類, 包括電子仿生、信息與控制仿生、機械仿生、化學仿生、建築仿生、醫學仿生以及生物界的奇特現像與仿生等內容。本篇內容主要體現知識的科普性和趣味性。
第二篇為機械學基礎, 主要介紹機械的基本知識、機構運動簡圖的繪制、機構自由度的計算、自由度與控制、機構運動分析、機構受力分析以及機構設計方法等內容, 其目的是把動物結構用機構簡圖來表示, 然後計算其自由度, 進行運動與動力分析, 把動物結構機械化, 用機械學的知識解決動物的組成與運動等問題。本篇內容主要說明仿生學向仿生機械學過渡中的基本知識。第三篇為仿生機械設計與分析, 主要介紹模仿動物步行的仿生機械步態分析、腿部結構與設計、步行的穩定性等; 介紹模仿動物爬行的仿生機械運動原理及其設計、模仿鳥類及昆蟲飛行的仿生機械運動原理及其設計; 介紹模仿魚類和其他動物在水中遊動的仿生機械運動原理及其設計; 介紹仿生機械關節以及仿生機械假肢的設計與分析等。本篇內容是本書的重點內容, 涉及各類仿生機械的設計與分析。
3. 一些說明1) 本書在介紹生物學、植物學、動物學的基本知識時, 沒有嚴格按照它們的分類進行說明, 而是按照與仿生學相關的內容進行大幅度的簡化與歸納, 為介紹仿生學綜述奠定基礎。例如: 本書中的爬行動物就沒有按照動物學的分類去討論, 而是按照腿足特性將爬行動物分為三類: 有腿爬行動物( 蜥蜴、鱷魚等具有典型的關節腿) 、有足類爬行動物( 尺蠖等蝶蛾幼蟲, 沒有典型的關節腿, 隻有露出體外的足) 和無足類爬行動物( 蛇、蚯蚓等, 沒有腿和足) , 有足類爬行動物是作者的命名, 是否適合動物學家的分類尚不得而知, 但這樣的分類法從仿生機械學的觀點看是清楚的。
2) 在介紹機械學基礎知識時, 重點突出動物結構的機構簡圖的繪制, 自由度的計算, 按機構簡圖進行運動分析、受力分析, 以及機構的尺度設計等內容, 為生物體的機械設計奠定理論與方法基礎。由於仿生機械的運動主要是依靠連杆機構完成的, 所以連杆機構( 含閉鏈和開鏈機構) 是機械學基礎的主體內容。
3) 第三篇仿生機械設計與分析是本書的重點內容, 主要是模擬動物的運動特性進行仿生設計, 如各類動物的陸地步行、爬行、空中飛行、水中遊動的仿生設計及相應的仿生機械。
4) 仿生研究不能照搬生物原型, 主要是從中吸取設計思想和創新靈感, 否則會走彎路。如撲翼結構的飛行器永遠不如固定翼飛行器飛得快、飛得高、飛得遠。因此, 本書在用機構簡圖描述動物形體結構時, 往往進行適度簡化, 以簡化機械結構和便於進行控制。這是人類在進行仿生研究中得到的寶貴經驗。
5) 生物種類繁多, 對應的仿生機械種類很多, 本書不能面面俱到, 隻能涉及典型動物的仿生設計及其仿生裝置。
6) 關於仿生學中的一些名詞, 本書給予了一定的說明。由於仿生學是一門新興學科, 涉及的內容極其廣泛, 故有很多詞語的表達有很多的不同論述, 容易引起誤解。如力學仿生與仿生力學、醫學仿生與仿生醫學、電子仿生與仿生電子學、建築仿生與仿生建築學、機械仿生與仿生機械學等許多用語大都是混用的, 極易引起誤解。仿生機械與機械仿生也是混用的詞彙, 本書對這些術語做了界定, 說明這些提法是有區別的。
7) 本書在緒論中增加了仿生學遐想, 雖然隻是一點點遐想, 但遐想有助於創新思前言Ⅶ維的培養與提高。這裡提出遐想的目的僅僅是為了啟發讀者, 不是空想, 而是通往創新之路的途徑。
8) 仿生機械學包含的知識面極其廣泛, 從植物學、動物學、生物學、仿生學、力學, 再到機械學, 很難把一些從表面上看去互不相關的內容融合在一起, 從而形成一個完整的仿生機械學新體繫。雖然很多學校開設了仿生機械學課程, 但沒有教材, 隻有個別的電子課件。各個課件內容都圍繞某一具體的仿生機械進行討論, 各說各話, 難以發現它們的體繫與普適內容。編者思考良久後, 擬訂出本書的編寫體繫。確定編寫體繫後, 又遇到內容的編排問題, 如嚴格按照植物學和動物學介紹它們的組成與分類, 則對於非生物專業的人員來講, 過於煩瑣和專業, 一般不易看懂。所以本書將這些內容按照仿生機械學認知規律進行改編。同樣的道理, 對機械學基礎也進行了簡化, 以適合非機械專業的學生學習。
9) 本書的編寫過程是編者邊寫作、邊學習、邊研究、邊提高的過程。在編寫過程中, 編者也明白了以前許多不明白、不清楚的地方。譬如說, 喫了多年的鯉魚, 竟然不知道有多少魚鰭! 哪裡是偶鰭? 哪裡是奇鰭? 為何魚尾附近的肉好喫? 原來魚的遊動主要擺動身體的後1/ 3 的部分, 當然肌肉發達就好喫。又例如, 鳥類上下扇動翅膀則可前進飛行, 而蜻蜓類的昆蟲上下扇動翅膀則不能向前飛行, 通過學習空氣動力學纔弄清楚。為了弄清楚魚類擺動尾鰭引起的反卡門渦街現像, 需要研究流體力學的基本知識。
這樣類似邊學習、邊研究、邊提高的例子很多, 編者在書中都有論述。
10) 在仿生機械設計與分析的內容中, 有些內容是團隊的研究與探索對像, 僅供參考。
參加本書編寫的有: 張春林( 前言、緒論、第三章、第四章) 、張穎( 章、第二章) 、趙自強( 第五章、第六章、第七章) 、司麗娜( 第八章、第九章) 、趙嘉珩( 第十章) 。全書由張春林和趙自強任主編並負責統稿。
機械工業出版社為本書的構思、編寫以及出版提供了大力幫助與支持, 在此表示感謝。
總之, 由於編寫難度大、編寫時間長, 且涉及多學科知識的融合, 加之編者水平有限, 難免存在錯誤、疏漏之處, 敬請廣大讀者批評指正。
編者

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