仿生学及其工程应用

本书分别对具有特殊弹跳能力的蝗虫、跳甲和具有水下运动能力的蚯蚓、泥鳅的特殊生理结构进行了机理分析和基于其机理的仿生设计,可供从事仿生机器人研究设计的工程技术人员参考.

本书首先介绍了仿生设计的相关背景，并对国内外仿生设计的研究现状及未来的发展方向进行了阐述。其次，分别对具有特殊弹跳能力的蝗虫、跳甲和具有水下运动能力的蚯蚓、泥鳅的特殊生理结构进行了机理分析和基于其机理的仿生设计。同时对狷羚下颚骨化石的特殊生理结构进行了建模和分析，以揭示其进化机理。最后，运用生命周期评价方法对基于仿生设计的产品进行了生命周期评价，以说明仿生设计所具有的更符合可持续发展的本质特点。本书可以作为工科专业博士、硕士研究生和本科生的教材，也可以供其他研究仿生学和生命周期评价的学者参考。在工程领域，本书还可以为从事仿生产品结构优化的工程人员提供一种新的设计方法。

目录第1章仿生设计(1)1.1仿生设计概述(1)1.2仿生设计的研究现状(3)1.2.1地面仿生机器人(4)1.2.2水下仿生机器人(7)1.2.3空中仿生机器人(11)1.3仿生设计的目的和意义(12)第2章仿生对象观测与机理分析(14)2.1蝗虫的观测及弹跳机理分析(14)2.1.1结构观察(14)2.1.2弹跳机理分析(16)2.2跳甲的观测及弹跳机理分析(19)2.2.1结构观察(19)2.2.2弹跳机理分析(20)第3章昆虫弹跳过程数学模型建立及计算(24)3.1弹跳模型(24)3.2弹跳模型计算(26)3.2.1蝗虫弹跳模型计算(26)3.2.2跳甲弹跳模型计算(29)第4章仿生弹跳机器人设计及运动仿真分析(32)4.1引言(32)4.2仿生蝗虫弹跳机器人(33)4.2.1总成设计(33)4.2.2弹跳机械部分设计(34)4.2.3工作过程(38)4.3仿生跳甲机器人(39)4.3.1总成设计(39)4.3.2弹跳机械部分设计(40)4.3.3工作过程(42)4.4仿生弹跳机器人设计方案确定(43)4.4.1机构势能释放方式比较(43)4.4.2弹跳腿部结构比较(44)4.4.3设计方案确定(44)4.5仿生弹跳机器人运动分析与计算(45)4.5.1齿轮组结构分析与传动计算(45)4.5.2偏心轮结构分析与传动计算(46)4.5.3弹跳腿结构分析与传动计算(47)4.5.4弹跳过程分析与计算(49)4.6仿生弹跳机器人整体结构(52)第5章仿生水下机器人设计(54)5.1引言(54)5.2蚯蚓的特征及运动机理分析(55)5.2.1蚯蚓的特征分析(57)5.2.2蚯蚓的运动机理分析(58)5.3泥鳅的特征及运动机理分析(58)5.3.1泥鳅的特征分析(59)5.3.2泥鳅的运动机理分析(60)5.4仿生蚯蚓水下机器人(61)5.4.1拱泥头设计(62)5.4.2前进转向机构设计(63)5.4.3支撑机构设计(64)5.4.4工作原理(64)5.5仿生泥鳅水下机器人(66)5.5.1结构设计(66)5.5.2工作原理(68)5.6两种水下仿生机器人设计方案的比较(69)第6章古生物建模及有限元分析(71)6.1引言(71)6.2古生物的建模(72)6.2.1等阈值面显示法(72)6.2.2多阈值面显示法(74)6.2.3特定结构提取法(75)6.2.4综合实例(77)6.3古生物模型的优化(80)6.4古生物模型的有限元分析(82)第7章仿生弹跳机器人的生命周期评价(88)7.1引言(88)7.2目标与范围的定义(89)7.3清单分析(90)7.4影响评价(93)7.5结果解释(98)第8章仿生水下机器人的生命周期评价(100)8.1引言(100)8.2目标与范围的确定(101)8.3清单分析(103)8.4影响评价(106)8.5结果解释(113)参考文献(115)第1章仿生设计(1)1.1仿生设计概述(1)1.2仿生设计的研究现状(3)1.2.1地面仿生机器人(4)1.2.2水下仿生机器人(7)1.2.3空中仿生机器人(11)1.3仿生设计的目的和意义(12)第2章仿生对象观测与机理分析(14)2.1蝗虫的观测及弹跳机理分析(14)2.1.1结构观察(14)2.1.2弹跳机理分析(16)2.2跳甲的观测及弹跳机理分析(19)2.2.1结构观察(19)2.2.2弹跳机理分析(20)第3章昆虫弹跳过程数学模型建立及计算(24)3.1弹跳模型(24)3.2弹跳模型计算(26)3.2.1蝗虫弹跳模型计算(26)3.2.2跳甲弹跳模型计算(29)第4章仿生弹跳机器人设计及运动仿真分析(32)4.1引言(32)4.2仿生蝗虫弹跳机器人(33)4.2.1总成设计(33)4.2.2弹跳机械部分设计(34)4.2.3工作过程(38)4.3仿生跳甲机器人(39)4.3.1总成设计(39)4.3.2弹跳机械设计(40)4.3.3工作过程(42)4.4仿生弹跳机器人设计方案确定(44)4.4.1机构势能释放方式比较(44)4.4.2弹跳腿部结构比较(44)4.4.3设计方案确定(45)4.5仿生弹跳机器人运动分析与计算(45)4.5.1齿轮组结构分析与传动计算(45)4.5.2偏心轮结构分析与传动计算(47)4.5.3弹跳腿结构分析与传动计算(48)4.5.4弹跳过程分析与计算(50)4.6仿生弹跳机器人整体结构(52)第5章仿生水下机器人设计(54)5.1引言(54)5.2蚯蚓的特征及运动机理分析(57)5.2.1蚯蚓的特征分析(59)5.2.2蚯蚓的运动机理分析(59)5.3泥鳅的特征及运动机理分析(60)5.3.1泥鳅的特征分析(61)5.3.2泥鳅的运动机理分析(61)5.4仿生蚯蚓水下机器人(63)5.4.1拱泥头设计(64)5.4.2前进转向机构设计(65)5.4.3支撑机构设计(66)5.4.4工作原理(66)5.5仿生泥鳅水下机器人(69)5.5.1结构设计(69)5.5.2工作原理(70)5.6两种水下仿生机器人设计方案的比较(72)第6章古生物建模及有限元分析(74)6.1 引言(74)6.2 古生物的建模(75)6.2.1等阈值面显示法(75)6.2.2多阈值面显示法(77)6.2.3特定结构提取法(78)6.2.4综合实例(80)6.3古生物模型的优化(83)6.4古生物模型的有限元分析(85)第7章仿生弹跳机器人的生命周期评价(91)7.1引言(91)7.2目标与范围的定义(92)7.3清单分析(93)7.4影响评价(96)7.5结果解释(101)第8章仿生蚯蚓水下机器人的生命周期评价(104)8.1引言(104)8.2目标与范围的确定(105)8.3清单分析(107)8.4影响评价(110)8.5结果解释(117)参考文献(119)仿生学及其工程应用目录目录第1章仿生设计(1)1.1仿生设计概述(1)1.2仿生设计的研究现状(3)1.2.1地面仿生机器人(4)1.2.2水下仿生机器人(7)1.2.3空中仿生机器人(11)1.3仿生设计的目的和意义(12)第2章仿生对象观测与机理分析(14)2.1蝗虫的观测及弹跳机理分析(14)2.1.1结构观察(14)2.1.2弹跳机理分析(16)2.2跳甲的观测及弹跳机理分析(19)2.2.1结构观察(19)2.2.2弹跳机理分析(20)第3章昆虫弹跳过程数学模型建立及计算(24)3.1弹跳模型(24)3.2弹跳模型计算(26)3.2.1蝗虫弹跳模型计算(26)3.2.2跳甲弹跳模型计算(29)第4章仿生弹跳机器人设计及运动仿真分析(32)4.1引言(32)4.2仿生蝗虫弹跳机器人(33)4.2.1总成设计(33)4.2.2弹跳机械部分设计(34)4.2.3工作过程(38)4.3仿生跳甲机器人(39)4.3.1总成设计(39)4.3.2弹跳机械设计(40)4.3.3工作过程(42)4.4仿生弹跳机器人设计方案确定(44)4.4.1机构势能释放方式比较(44)4.4.2弹跳腿部结构比较(44)4.4.3设计方案确定(45)4.5仿生弹跳机器人运动分析与计算(45)4.5.1齿轮组结构分析与传动计算(45)4.5.2偏心轮结构分析与传动计算(47)4.5.3弹跳腿结构分析与传动计算(48)4.5.4弹跳过程分析与计算(50)4.6仿生弹跳机器人整体结构(52)第5章仿生水下机器人设计(54)5.1引言(54)5.2蚯蚓的特征及运动机理分析(57)5.2.1蚯蚓的特征分析(59)5.2.2蚯蚓的运动机理分析(59)5.3泥鳅的特征及运动机理分析(60)5.3.1泥鳅的特征分析(61)5.3.2泥鳅的运动机理分析(61)5.4仿生蚯蚓水下机器人(63)5.4.1拱泥头设计(64)5.4.2前进转向机构设计(65)5.4.3支撑机构设计(66)5.4.4工作原理(66)5.5仿生泥鳅水下机器人(69)5.5.1结构设计(69)5.5.2工作原理(70)5.6两种水下仿生机器人设计方案的比较(72)第6章古生物建模及有限元分析(74)6.1 引言(74)6.2 古生物的建模(75)6.2.1等阈值面显示法(75)6.2.2多阈值面显示法(77)6.2.3特定结构提取法(78)6.2.4综合实例(80)6.3古生物模型的优化(83)6.4古生物模型的有限元分析(85)第7章仿生弹跳机器人的生命周期评价(91)7.1引言(91)7.2目标与范围的定义(92)7.3清单分析(93)7.4影响评价(96)7.5结果解释(101)第8章仿生蚯蚓水下机器人的生命周期评价(104)8.1引言(104)8.2目标与范围的确定(105)8.3清单分析(107)8.4影响评价(110)8.5结果解释(117)参考文献(119)