面向仿生应用的金龟子外型测量及量化分析

论文摘要

逆向工程技术是较成熟的工业技术,是进行生物外形量化和分析的有力工具。本论文研究工作使用逆向工程技术对四种金龟子昆虫体表数据实现了数字化采集,应用专用的逆向工程造型软件,使用基于点-线-面和基于点-面的两种曲面重构造型方法进行了生物体表模型重建。将生物体的CAD模型在快速成型设备上进行了加工制造,获得了实物模型。在四种金龟子外形数据采集处理的基础上,抽取轮廓线数据进行数学建模。对四种金龟子体表轮廓曲线的曲率变化进行了量化分析。由轮廓曲线的曲率图和二阶导数图的变化规律总结出轮廓曲线的变化规律,探索了四种金龟子体表曲面的凹凸性变化规律。结合金龟子的生活环境,论述了四种金龟子体表微观和宏观结构在金龟子活动中的重要作用,重点分析了臭蜣螂唇基和鞘翅的优化形状在臭蜣螂挖土和飞行中的作用。分析了金龟子几何构型量化特征的潜在仿生应用。论文的研究工作对于昆虫外形量化研究及应用具有重要的仿生学参考价值。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 仿生学研究
• 1.1.1 仿生学的概念及发展前沿
• 1.1.2 农业机械中的仿生学研究
• 1.2 逆向工程技术
• 1.2.1 逆向工程技术的概念
• 1.2.2 逆向工程技术发展现状
• 1.2.3 逆向工程技术存在的问题
• 1.2.4 利用逆向工程技术进行生物体表面几何特征研究
• 1.3 金龟子的研究现状
• 1.3.1 身体宏观外形
• 1.3.2 金龟子体表的细观表面形态及仿生
• 1.3.3 金龟子体壁的微观结构及仿生
• 1.3.4 金龟子体表润湿性
• 1.3.5 金龟子视觉器官及仿生
• 1.3.6 金龟子嗅觉及其仿生
• 1.3.7 金龟子的呼吸系统
• 1.3.8 金龟子的优化繁殖
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 基于逆向工程技术的金龟子外形数据采集
• 2.1 逆向工程常用测量技术
• 2.1.1 接触式数据采集方法
• 2.1.2 非接触式测量方法
• 2.2 逆向工程技术专用处理软件
• 2.3 金龟子外形数据测量
• 2.3.1 测量设备
• 2.3.2 参数设定
• 2.3.3 扫描样品制备
• 2.3.4 昆虫体表数字化测量
• 2.4 本章小结
• 第三章 金龟子体表三维几何模型重构
• 3.1 三维几何模型重构的理论基础
• 3.1.1 逆向工程技术常用的曲面建构形式
• 3.1.2 三维几何模型重构的理论基础
• 3.2 金龟子体表扫描数据处理
• 3.2.1 扫描数据预处理
• 3.2.2 数据点群的平滑处理
• 3.2.3 数据点群的精简处理
• 3.2.4 多视数据对齐定位与拼接
• 3.2.5 数据分割
• 3.3 金龟子外形三维几何模型重构
• 3.3.1 点-线-面方法重构金龟子外形三维曲面模型
• 3.3.2 点-曲面的重构方法
• 3.4 曲面重构模型分析
• 3.4.1 重构曲面模型精度分析
• 3.4.2 造型曲面的光顺性分析
• 3.4.3 造型曲面的连续性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 金龟子外形的快速成型制造
• 4.1 快速成型制造技术简介
• 4.1.1 快速成型技术概念及发展
• 4.1.2 快速成型技术的制造工艺
• 4.2 金龟子外形的快速成型制造
• 4.2.1 FDM 硬件系统
• 4.2.2 快速成型的数据处理软件
• 4.3 本章小结
• 第五章 金龟子体表轮廓数学建模
• 5.1 数据拟合的数学基础
• 5.2 臭蜣螂体表轮廓曲线数学模型及分析
• 5.2.1 臭蜣螂唇基表面轮廓曲线数学模型
• 5.2.2 臭蜣螂背板表面轮廓曲线数学模型
• 5.2.3 臭蜣螂鞘翅表面轮廓曲线数学模型
• 5.3 犀角金龟鞘翅表面轮廓曲线数学模型及分析
• 5.4 花金龟体表轮廓曲线数学模型及分析
• 5.4.1 花金龟前胸背板表面轮廓曲线数学模型
• 5.4.2 花金龟鞘翅表面轮廓曲线数学模型
• 5.5 龙虱体表轮廓曲线的数学模型及分析
• 5.5.1 龙虱头部表面轮廓曲线数学模型
• 5.5.2 龙虱前胸背板表面轮廓曲线数学模型
• 5.5.3 龙虱鞘翅表面轮廓曲线数学模型
• 5.6 本章小结
• 第六章 金龟子几何特征及功能的对比分析
• 6.1 四种金龟子头部的几何特征对比
• 6.1.1 四种金龟子头部几何微形态
• 6.1.2 四种金龟子头部宏观几何形态
• 6.1.3 臭蜣螂唇基推土的简化模型及其切割机理分析
• 6.2 四种金龟子前胸背板的几何特征对比
• 6.3 四种金龟子鞘翅的几何特征对比分析
• 6.3.1 金龟子鞘翅表面的微几何形态
• 6.3.2 金龟子鞘翅的宏观几何形态
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步研究工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文及参与科研项目情况
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 附录Ⅰ三种金龟子的体表曲面造型图
• 附录Ⅱ三种金龟子体表重构曲面与点云数据间的误差分析
• 附录Ⅲ三种金龟子重构曲面光顺性检查图
• 导师及作者简介