仿生机构的分类及其结构简介

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1、现代仿生机构的分类及其结构简介摘要仿生机构是由刚性构件、柔韧构件、仿生构件以及动力元件等人为实物组合而成 的机槭系统。仿生机构按照机构所能实现的运动功能可划分为仿鸟飞行机构、仿 蛇爬行机构、多足步行机构、尾鳍推进机构等。本文针对以上四种类型的仿生机 构进行了简要说明并分别举例介绍了其结构形式。关键词 仿生机构；类型；结构目录摘 要 错误!未定义书签。第1章 仿生机构概述 31.1 引言 31.2 仿生机构的概念及组成 31.3 仿生机构的基本类型 4第2章 四种仿生机构分类介绍 52.1 仿生扑翼飞行机构结构简介 52.1.1 仿昆飞行机器人结构简介 52.1.2 扑翼三维运动的新型扑翼机构结

2、构简介 62.2 仿蛇蠕动爬行机构结构简介 82.2.1 多关节仿蛇机器人结构简介 82.2.2 一种蠕动爬行方案结构简介 92.3 多足步行机构结构简介 102.3.1 一种新型四足机器人机构构型设计 112.3.2 具有手脚融合功能的多足步行机器人结构 122.4 尾鳍推进机构结构简介 12结论 14参考文献 15第1 章 仿生机构概述1.1 引言所谓“仿生学”，就是旨在研究生物系统，用来改进人类工程技术的一门属 于生物科学与技术科学之间的边缘新兴学科。具体地说，它是研究和探索生物系 统的结构特性、能量转换、信息控制过程，并把研究的结果用于改善现有的或创 造全新的机械设备、俭测仪器、建筑构

3、型石工艺过程及自动装置等工程技术。1.2 仿生机构的概念及组成仿生机构是由刚性构件、柔韧构件、仿生构件以及动力元件等人为实物组合 而成的机槭系统。通过运动副或仿生关节的联接，系统的各部之间能保持足够确 定的相对运动，在控制系统的指挥下，可于某种程度上模拟设计者所期望的某特 定生物的运动功能。其中，刚性构件的概念与传统机构学中的构件概念相同。指 的是机构中做刚体运动的单元体，柔韧构件和仿生构件却是传统机构学中的新概 念，前者是指弯曲刚度很小（在研究问题中其刚度可以被忽略）且不会伸长或缩短 或弹性很小）的带状构件；后者是指那些为模仿生物运动器官的力学特性而增设 的，在机构中独立存在，不影响机构相对

4、运动，只起改善传动质量的构件。如滑 液囊、滑液鞘等；至于动力元件，实际上是关于构件驱动装置的新提法，本文中 是指一类能在控制下直接对柔韧构件施加张力的动力源的总称，其功能相当于动 物的肌肉1。由研究节肢动物和脊椎动物的肢体受到启发，可以认为仿生机构也是由骨 骼、韧带和肌腱等组成的，只不过在这里已具有更加广义的概念，包容刚性构件、 柔韧构件和动力元件了。为研究问题方便， 我们不仿把仿生机构划分为刚性和 柔性两大组成部分。其中刚性组成部分同传统机构学中的空间机构（开链机构和 闭链机构）并无差别。它是整个机构的基础，决定着机构的自由度数及每个刚性 构件的活动范围；其中柔性组成部分则是传统机构学中所没

5、有的，它决定着刚性 部分中起始构件的驱动方式及机构的运动确定性。1.3 仿生机构的基本类型仿生机构的类型，可以按照所仿生物及其运动机构的类别分为五种基本机构 类型作为综合仿生机构的组成单元，他们分别是“蟹脚机构”、“肱股机构”、“尺 挠机构”、“指爪机构”和“颈脊尾机构”。也可以按照机构所能实现的运动功能 划分为仿鸟飞行机构、仿蛇爬行机构、多足步行机构、尾鳍推进机构等。当然， 仿生机构类型的划分方式还有很多种，本文主要针对第二种类型划分方式，对飞 行、爬行、步行、尾鳍推进四种仿生机构及其结构进行简要分析。2.1 仿生扑翼飞行机构结构简介目前国内外对飞行机器人的研究多集中于固定翼和旋翼类型，这两

6、种类型的 飞行机器人各有特长，但活动场所和工作环境等都受到一定的限制。随着军事、 民用的发展和科学技术的进步，对于许多任务而言，固定翼和旋翼类型的机器人 的飞行方式是不够的。因此，为了适应任务的复杂性和环境的多样性，对具有更 好机动灵活性的飞行方式的研究是势在必行，即要在飞行方式上进行创新。与固 定翼和旋翼类型的飞行机器人相比，扑翼飞行方式由于其具有更大的机动灵活 性、更好的避障能力以及低廉的飞行费用，因而受到国内外众多研究者的广泛关 注。许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学、日本东京大学等都已 经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基 础研究工作。仿生

7、扑翼飞行机器人或仿生扑翼飞行器，既属于飞行器范畴，又属 于新概念的仿生飞行机器人研究范畴，是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学 原理设计制造的新型飞行机器人:随着对动物飞行机理的认识和微电子机械技术 M(EMS)、空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行机器人在目前己成 为一个新的研究热点。2.1.1 仿昆飞行机器人结构简介图2-1所示为电磁场驱动的仿昆飞行机器人2图示结构中，板A、B、C构 成了实现翅无摩擦运动的柔性机构，板B、板C与板A上分别涂有相反磁性的磁 层，翅膀上的灰色弹性薄膜是控制翅下拍时打开，上拍时闭合。在电磁场的作用 下，板B和板C朝着与板A运动方向相反的方法运动，使得翅

8、膀上下拍动。2-1 仿昆虫飞行机器人加州大学和AeroViormnent公司及加州洛杉矶大学共同研制了微型扑翼飞 行器，名为“Micrboat”，如图所示。该微型飞行器的研究人员通过大量实验研 究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特性，并制作了一种轻型传动机构将微电 机的转动转变为机翼的煽动。实验中，该飞行器的机翼能以20Hz的频率煽动， 采用NidcN-50电池作为动力源，并在非控制条件下进行了 18秒、46米远的飞 行实验。这也是迄今为止文献公开报道的、有技术细节的、可以持续飞行的微型 仿生扑翼机器人。美国加州大学还计划在2004年研制出翼展510，重46mg，180HZ压电 石英驱动的四翼

9、“机器苍蝇”，又称“黑寡妇”，如图2-2所示。美国斯坦福研 究中心（S班）和多伦多大学在DARPA的资助下,设计了多种扑翼微型飞行器模型, 图2-2所示为他们共同研究的一种扑翼微型飞行器“Menot,lr38”，它有4 片由“人工肌肉”驱动的扑动机翼和用来保持稳定的尾翼，整个飞行器约30厘 米，重不到住5千克，并在2002年2月成为世界上第一架成功悬浮空中的微型 扑翼飞行器。研制人员希望能够把它缩小至蜂鸟大小，这样它就可以被用于监视 工作了。此外，DARPA也资助了基于弹性动力和热动力的扑翼飞行器研究工作， 另外几种类型的微扑翼飞行机构也正在研制并取得了一定的成功。2-2 苍蝇机构想象图2.1

10、.2扑翼三维运动的新型扑翼机构结构简介现有的微型扑翼飞行器机构均是一维扑动形态，如图2-3所示。曲柄0A旋 转，通过连杆AB，AB带动两翼上下扑动。翼扑动时为产生升力和推力，只 能依靠翼的柔性变形来实现翼弦的被动俯仰。为了使翼做主动俯仰，实现三维运动，一种能实现8字形或香蕉形运动轨迹 的常用杆机构，如梯形机构和逆平行四边形机构，其连杆中点的轨迹能满足要求， 但此类机构为非格拉斯霍夫（Non2Grashof）机构，均有传动死点，出现运动反转 问题；曲柄摇杆机构中的连杆曲线谱可以找到近似8 字形或香蕉形，考虑到距离 连杆铰链点较远,影响传动性能和机构总体尺寸。上述机构均不适宜用作微型飞 行器的驱动

11、机构。本文研究出一个实现翼尖8 字形运动、且能使扑翼能绕展向轴 线扭转的七杆八铰链机构，如图2-3所示。该机构在一个5杆6铰链机构A2B2C2D 2E 2G2A的基础上，根据机构的组成原理，在C点和机架上增加一个RRR二级杆 组C2F2G组，扑翼与CF杆连接。5杆机构在C铰链点可产生8字形或香蕉形轨迹, 在GF和FC带动下，使翼产生弦向扭转运动。由于该机构的自由度为2,可利用 齿轮机构或带传动机构将两个曲柄A B和DE联系起来。前已叙述，产生8字形 的运动是由上下和前后两个运动的合成。当前后运动循环周期是上下运动的2 倍 时（AB至DE的传动比为2），产生8字形轨迹；若两者周期相同（AB至D

12、E的 传动比为1）,则产生香蕉形运动轨迹。扑翼的俯仰运动由CF杆的角位置实现。利用图2-4机构，设计出三维运动扑翼微型飞行器运动简图，如图2-5所示3。 短轴Q 1，Q 2与CF杆固联，两翼与短轴分别在Q 1，Q 2组成球销副，可保证 两翼随CF杆作俯仰运动；机翼与机架分别在R1, R2处组成滑球副，可将C点 的平面8 字形轨迹传至翼尖的空间8字形， 实现上下扑动和前后划动两个运动。图 2-3 一维扑翼机构运动简图图 2-4 七杆八铰链机构图2-5 三维运动扑翼飞行器机构运动简图2.2 仿蛇蠕动爬行机构结构简介此类仿生机构根据性能不同，大体可分为仿蛇爬行机构与仿蠕虫爬行机构两 类。2.2.1

13、多关节仿蛇机器人结构简介针对障碍物众多、凹凸不平等非结构环境，研究人员提出了仿蚯蚓、蛇类生 物的多关节、多自由度仿生机构，蛇类动物能够在极不规则的环境下运动，可以 爬坡、跨越沟道、攀援等等，也能够在松软的沼泽或沙漠中运动，还能够通过蜿 蜒曲折的狭窄的通道。因此仿蛇机器人的研究得到了国际机器人领域的高度重 视。上海交大研制的仿蛇变体机器人结构如图2-6所示，其截面尺寸为30X30mm, 总长为300mm.由10节组成，相邻两节的相对转动由步进电动机、齿轮机构及联 接件驱动和控制, 如图3 所示, 图中的大小圆为一对啮合的齿轮, 步进电机与 小齿轮固联.机器人每节长度相同，设为lmm ,头部和尾部

14、的长度为节长的一 半，即l/2mm。图2-6仿蛇机器人结构图蛇形机器人的运动过程可分为三个阶段，即：波峰产生阶段，波峰传递过渡 阶段和波峰传递阶段4。 如图2-7所示，控制节点1、节点2 处的电机, 使第1节 相对于尾部, 第1节相对于第2节逆时针转动; 控制节点3处的电机, 使第2节相 对于第3节顺时针转动。当各电机转过设定值, 机器人将形成图 (b) 所示的体 态。波峰传递过渡阶段要将上一阶段产生的波峰从节点2 平稳地传递到节点3。 波峰传递的过渡阶段完成后, 改变节点2的运动方向, 使其迅速下降, 节点3保 持原有的速度及运动方向不变, 这样, 节点2向下运动, 节点3向上运动, 波峰

15、从节点2向节点3传递，图3 (d)所示。重复上述过程，波峰将从节点3传递到节 点4,当机器人实现图3 (g)所示的体态时，蛇形机器人就完成一个动作循环，机 器人向前运动了一个步距。尾部第1节第2节第3节第4节头部phase 1phase 2phase 3(phase 1)phase 2phase 3图2-7 蛇形机器人运动机理图2.2.2 一种蠕动爬行方案结构简介蠕动爬行类机器人作为仿生爬行机器人中的一支，正受到越来越多学者的关注，所以将来会有很大的发展空间。它是根据蠕虫爬行时的分节现象而得来的 ，其运动方式是前体节夹持住物体，通过肌肉收缩，带动后体节前移,从而实现蠕 动爬行。在此方案中单体伸

16、缩器模仿分节蠕虫的体节，它由两个等曲率球面、伸 缩器、单向轮等组成。在两个球面之间装有伸缩器,伸缩器的伸缩导致两球面发生相对运动。单 体伸缩器支撑在单向轮（足）上，单向轮向前可以滚动,向后则自锁,若发生运动， 则只能是滑动。控制器体节由球面、控制器、弹性绳和单向轮组成，弹性绳一方 面用于储存能量，在伸缩单体收缩时，释放能量，拖动单体向前运动；另一方面 通过控制器改变弹性绳的长度，改变单体的受力状况，从而改变单体之间的贴合 程度。每个球面单体在圆周方向开有均布的4个小孔，单体与单体之间用4根弹性 绳连接起来当控制器控制4根弹性绳受力相等时，各单体呈直线排列，如图 2-8 所示。伸缩器单体伸展时，由于单向轮的作用，各单