仿生机构的分类及其结构简介

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 (1)

第1章仿生机构概述 (2)

1.1引言 (2)

1.2仿生机构的概念及组成 (2)

1.3仿生机构的基本类型 (3)

第2章四种仿生机构分类介绍 (4)

2.1仿生扑翼飞行机构结构简介 (4)

2.1.1 仿昆飞行机器人结构简介 (4)

2.1.2 扑翼三维运动的新型扑翼机构结构简介 (5)

2.2仿蛇蠕动爬行机构结构简介 (7)

2.2.1 多关节仿蛇机器人结构简介 (7)

2.2.2 一种蠕动爬行方案结构简介 (8)

2.3多足步行机构结构简介 (9)

2.3.1 一种新型四足机器人机构构型设计 (10)

2.3.2 具有手脚融合功能的多足步行机器人结构 (11)

2.4尾鳍推进机构结构简介 (11)

结论 (13)

参考文献 (14)

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。

第2章四种仿生机构分类介绍

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5~10，重46mg，180HZ压电

石英驱动的四翼“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，1r38]”，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

2.1.2 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OA 旋转，通过连杆A B ， A B ’带动两翼上下扑动。翼扑动时为产生升力和推力，只