仿生学及其工程应用 pdf下载

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)

在美国华盛顿州立大学做博士后期间，在导师Charles Pezeshki教授的引导下，笔者开始对仿生学和仿生设计产生兴趣。回国后，与德国波恩大学的Helmut Schimtz教授在甲虫的热传感器工作机理方面开展了合作研究，创造性地将工程中常用的有限元分析方法应用到甲虫的盘状热感知器的热感知机理分析中，获得了较为满意的结果。接下来，邀请了西班牙的Jord和Josep两位博士后到桂林电子科技大学开展合作研究。合作研究的主要内容是娃娃鱼和牛科动物的三维重构以及机构有限元分析，其目的是通过以上分析来研究其结构的进化机理。笔者所在团队在产品的生命周期评价领域也做了大量的研究工作，能定量而客观地评价产品的绿色度。
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，还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，本书也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。
本书的主要创新点和应用价值在于系统地分析了不同类型生物的特殊结构，并巧妙地将工科领域常用的有限元分析方法应用到生物体结构的功能分析中来，解决了过去传统的分析方法无法解决的问题。另外，本书将生命周期方法与仿生设计有机地结合在一起，用定量的评价指标来说明仿生设计较之传统设计的优点。因此，本书具有学科交叉和学科融合的特点，全书既不拘泥于生物学，也不是简单的工程分析，这也许就是本书的难能可贵之处。
总之，科学技术的发展给我们带来了很多便利，但是，过度的工业化和信息化也存在一些弊端。在特定的时间点上，人类要学会回头看，重新寻找亿万年前祖先的生存和生产方式。实际上，仿生学就是向自然学习，回归自然，回归原始，最终将获得意想不到的收获。
本书由周祖鹏、刘旭锋、甘良棋编著。周祖鹏负责全书的整体布局、撰写和修改工作，刘旭锋负责各个章节的整理和修改工作，林永发和唐玉华分别负责第3章和第5章的撰写工作。在本书撰写过程中，甘良棋、董智鹏、张晓东、裴雨蒙、蒋开云、鹿浪和王义华等研究生协助笔者做了大量资料收集和整理工作。同时，本书的出版得到了桂林电子科技大学专著出版基金的资助。在此一并表示感谢。
由于水平有限，加之时间仓促，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。
周祖鹏等
2018年11月于桂林