基于产品基因模型的仿生概念设计

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1、基于产品基因模型的仿生概念设计摘要：为了从宏观上把握产品系统中各个零件的功能及其之间的约束关系，进而根据需求对产品系统进行设计和变异，通过分析生物系统与产品系统的相似性，借鉴生物学知识，将产品系统表达为产品功能基因、产品约束基因、产品功能蛋白质、产品约束蛋白质和产品细胞等。建立由产品功能基因团和约束基因组成的产品基因模型并提出基于此模型的设计方法。利用该方法对宝石加工中心5自由度机械手进行设计，获得良好效果，证明了该设计方法的有效性。关键词：产品基因；产品蛋白质；产品细胞；产品基因模型；宝石加工

2、中心BionicConceptualDesignBasedonProductGeneModelAbstract:Inordertograspthefunctionsofeachpartandtheconstraintrelationbetweentwopartsinproductsysteminmacroscopicview,furthermore,todesignandvarytheproductsystemaccordingtorequirements,theproductsystemwas

3、expressedasproductfunctiongene,productconstraintgene,productfunctionprotein,productconstraintproteinandproductcellbyanalyzingthesimilaritybetweenbiologysystemandproductsystemandusingbiologyknowledgeforreference.Theproductgenemodelcomposedofproductfun

4、ctiongenegroupsandconstraintgeneswasestablishedandthedesignmethodbasedonitwasproposed.The5-DOFmanipulatorofgemmachiningcenterwasdesignedusingthismethodandagoodeffectwasacquiredthatprovedtheeffectivenessofit.Keywords:productgene;productprotein;product

5、cell;productgenemodel;gemmachiningcenter0引言机械产品概念设计是产品设计最具创新性的部分，许多学者对这方面进行了深入研究。齐从谦等指出产品结构变型的纵向和横向两种基本形式，并在装配模型层次化的基础上展示了产品变型设计过程[1]。王爱虎等在装配产品模型基础上识别出具有尺寸关联关系的零件组并对其进行优化设计[2]。GuptaS等从概念设计角度提出了一种集模块化、装配设计和变形设计原理于一体的计算机概念设计框架[3，4]。此外，有不少学者将仿生学应用于产品概念设

6、计。冯培恩等将生物基因工程和产品原理方案设计进行系统类比，提出了基于产品基因遗传和重组的概念设计框架[5]。何斌等研究了生物工程和产品概念设计的相似性并提出了基于产品生态学的概念设计框架[6]。机械产品是由各个零件通过一定的约束关系装配而成的功能系统。自顶而下的产品设计将高层次的产品抽象设计信息逐层传递到底层的零件详细设计信息上，通过设计意图进行驱动设计。该设计理念适用于产品零件自身功能多样性和彼此约束关系复杂性不断提高的要求。复杂机电产品中零件之间的连接关系往往比较复杂，在具体零件设计时一般需

7、要不断修改直至满足自身功能需求并保证不与其他零件产生冲突，这就延长了产品的设计周期。现有的产品概念设计模型大都忽略了零件之间的约束关系的整体考虑。针对这个问题，本文基于自顶而下的设计思想，通过研究产品零件的设计信息，借鉴生物学知识将这些信息进行抽象表达，使设计者能够在宏观上把握产品零件的整体设计，掌握零件的自身功能及与其他零件的所有约束关系，从而能够通过高层次的抽象设计语义驱动产品的整体设计。1产品系统的仿生表达根据生物学知识，除病毒外的所有生物都由细胞构成，细胞是生命活动的基本单位；而蛋白质是

8、构成组织和细胞的重要成分，是生命的物质基础；基因是生物的遗传因子，控制蛋白质的合成[7，8]。它们的关系如图1所示。产品是由各个零件通过一定的约束关系装配而成的功能系统。产品中零件结构的设计除了要考虑其在产品中的功能外，还要考虑其与产品中其他零件之间的约束关系。自顶向下的产品设计要求设计者不需花太多精力在产品零件的详细设计上，而要能灵活的掌控产品的顶层抽象信息，宏观把握产品的设计方向和思路。从这个目的出发，借鉴生物学的知识，将产品系统中各个零件及其之间的约束关系进行表达。零件的功能是实现产品整体