六足万向马腿蛛形

一,螃蟹的高效性
螃蟹腿只有一个自由度.腿作用 力与阻力在一条直线上.效率很 高. 靠不同的腿行进距离不同来转向. 转弯半径大,不灵活,难于控制.
二,蜘蛛的灵活性
腿的分布对称,换向时身子无需 转动.无转弯半径. 腿的用力方向与阻力方向不在一 条直线上,效率低.
综合解决方案 模块化单自由度腿 六足蛛形布局方案
模块化单自由度腿
模块化单自由度腿
抬腿机构
抬腿机构
六足蛛形布局方案
马腿的弹射爆发机构
马的骨骼由可动关节相联,通过肌肉而工作.马奔跑的关键部位是它 的四条腿.马腿细而长,它的前腿在肘部之下的部分,一匹重为450 公斤的纯种赛马,大约是1米长.加之它的肌肉收缩得慢,输出功率 小,因而单纯大块非弹性肌肉的收缩不可能是马儿高速飞奔的主要原 因. 事实上,美国Pennsylvania(宾夕法尼亚)大学生物系的Rome(罗姆) 等人在1990年测定了马后腿上的比目鱼肌,三种形式肌纤维收缩所产 生的最大速度分别为0.33,1.33和3.2肌肉长度/秒.据此,英国 皇家兽医学院兽医基础科学系的Wilson(威尔逊)等人在2001年计算出, 马的肌肉收缩产生的最大输出功率约为90瓦/公斤.因此,要想单靠 马的肌肉收缩产生马在奔跑时的实际最大输出功率4400瓦,马的非弹 性肌肉必须重50公斤才行.此外,Wilson(威尔逊)等人还发现,马 前腿的浅表和深部牵引肌很发达,重约0.6到1公斤,98%是由短肌肉 纤维(浅表的为2到6毫米,深部的为6到17毫米)组成,其最大输出功 率只有220W.这就说明,马飞奔的主要原因不可能来源于肌肉的收缩, 必定隐藏着尚未为人所知的秘密.
马腿的弹射爆发机构
复进簧:K=300kN/m
当前同类产品情况
对自然模仿过于机械
灵活与高效不可兼得
经查新未见相似结构
应用前景
军事侦察 抢险救灾 地理探测
结束语
当前制作工艺 当前完成情况 当前问题
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六足万向马腿蛛形机器人
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设计目的
高地理环境适应性行走底盘
可与轮式机构机械效率相当的解 决方案
设计思路
利用仿生学原理综合多种生物的 生理结构特点. 生理结构特点.设计出源于自然 而高于自然的机械结构. 而高于自然的机械结构.
1.螃蟹的高效性 2.蜘蛛的灵活性 3.马腿的弹射爆发机构
马腿的弹射爆发机构
有趣的是,Wilson等人设计了一个马的肢腿5个部分 的计算机模拟程序,用一根k=700千牛顿/米的弹 簧来表示二头肌,记录马脚离地时的关节角度.模 拟所得到的关节角加速度曲线以及肢腿各段的轨迹 与他们在自然状态下所观测到的非常相似. 二头肌在飞奔时0.11秒钟内所释放的能量为243焦 耳(即2200瓦),这与前面所说过的马的肌肉的最 大输出功率4400W大致相等.马的肌肉的最大输出 功率大约是每公斤90瓦,因此要求一匹马的非弹性 肌肉重达50公斤时,才能产生这样大的输出功率, 而对于二头肌来说,只要0.4公斤重就能产生同样 的输出功率.所以说,二头肌比同样重的非弹性肌 肉产生的输出功率要高出100多倍.马腿的弹射机 制因而是其快速奔跑的本质之所在.
Байду номын сангаас
马腿的弹射爆发机构
他们使用测力板和运动分析,得出了纯种马肩部在速度为3米/秒小跑 时肢腿--关节角和地面反作用力力矩,用X光照相术和解剖方法测定了 肘部和肩部关节二头肌臂膀力矩.他们发现,80%的肩部伸肌力矩来源 于二头肌,20%来源于肌肉结构产生的贡献.二头肌在腿部伸展姿势处 于91%时最长,其力量达到11.4千牛顿,储存的弹性能为74焦耳.二 91 11 4 74 头肌有一个重要的内部肌腱,截面积200平方毫米,与两个短的纤维 200 (分别为6和18毫米长)羽状肌肉头平行. 他们的测定还发现,肌肉在自然状态下主要是处于被动状态.马在测 力板实验中飞跑,当踏车的速度为12米/秒时,二头肌的最大长度为12 毫米,比小跑时要长一些.根据实验测定,当二头肌伸长至12毫米时, 达到巅峰状态,其内部肌腱的应变是7.5%,力为19.8千牛顿,弹性 储存能为261焦耳. 首先,Wilson等人形象地把马的腿比作好像是装了弹簧一样,也就是好 像小孩玩的底部装有脚踏弹簧用于跳跃的高跷杖,在跑动过程中储存 和释放能量.当马的腕骨锁定伸展时,在着地过程中它的躯干的前向 运动和地面反作用力伸展二头肌;随后,腕骨弯曲并伸直腿.