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
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第1章仿生机构概述 (3)
1.1引言 (3)
1.2仿生机构的概念及组成 (3)
1.3仿生机构的基本类型 (4)
第2章四种仿生机构分类介绍 (5)
2.1仿生扑翼飞行机构结构简介 (5)
2.1.1 仿昆飞行机器人结构简介 (5)
2.1.2 扑翼三维运动的新型扑翼机构结构简介 (6)
2.2仿蛇蠕动爬行机构结构简介 (8)
2.2.1 多关节仿蛇机器人结构简介 (8)
2.2.2 一种蠕动爬行方案结构简介 (9)
2.3多足步行机构结构简介 (10)
2.3.1 一种新型四足机器人机构构型设计 (11)
2.3.2 具有手脚融合功能的多足步行机器人结构 (12)
2.4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A 2B2C2D 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C2F 2G 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D E 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(A B 至D E 的传动比为2) ，产生8 字形轨迹；若两者周期相同(A B 至D 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R 1，R 2 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 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30×30mm , 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。

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，各单体向前运动，同时弹性绳储存能量，伸缩器单体收缩时，弹性绳释放能量，拖动各单体向最前端的单体靠近，从而实现蠕动爬行[5]。

图2-8 蠕动爬行机构示意图
2.3 多足步行机构结构简介
步行机器人能在许多结构和非结构环境中行走，以代替人进行作业或延伸、
扩大人类的活动领域。

近年来对步行机器人的研究取得了重要进展。

2.3.1 一种新型四足机器人机构构型设计
如图2-9所示，新型四足步行机器人主要有5部分组成，即4条腿和1个身躯。

每条腿都由一个平面4R五杆机构串连一个转动副组成，属于并串混合型，其简化图及设计尺寸如图2-10所示。

每条腿上都有3个驱动器关节，它们均采用高性能舵机进行驱动。

五杆机构由于安装冗余的驱动，可以实现非平面的腿结构绕支撑面的转动[6]。

图2-9 四足机器人机构
图2-10 机器人腿机构简图及尺寸
2.3.2 具有手脚融合功能的多足步行机器人结构
通常，机器人机体是一个规则平台，每条腿通过髋关节与机体相连此处以4足机器人作为运动平台，在腿臂融合的基础上，把其中的一条腿设计为既可以行走又可以抓取物体，使该腿具有手脚融合功能。

当抓取物体时，利用另外的3条腿支撑身体，这只具有手脚融合功能的腿执行手的功能，进行抓取物体；当行走时，该腿就执行脚的功能，进行行走。

对于多足机器人的步行运动，最基本的步行模式是3条腿同时支撑于地面上，其余的腿向前摆动。

机器人步行时它的运动机构可以看作是由机器人机体(运动平台)、地面(固定平台)、3条站立腿和摆动腿组合而成。

文中将其中一条腿设计为具有抓取功能的机械手结构。

机器人在抓取物体时，利用3条腿站立支撑机身，具有抓取功能的腿摆动实现机器人的抓取功能。

图2-11给出了当第，条腿处于摆动状态时手脚融合的4足机器人的结构简图[7]。

图2-11 手脚融合四足机器人机构简图
2.4 尾鳍推进机构结构简介
生物学和仿生学研究表明，海洋中具有高速长时间巡游能力的鲔鱼等鱼类，
使用具有高展弦比的尾鳍作为推进动力装置，尾鳍通过尾柄在肌肉的带动下呈现波状运动，不考虑表皮组织的柔性和关节数量，尾鳍运动总体上由两个具有相位差的正弦运动构成。

两关节尾鳍相对多关节机构设计优点在于机构简单及可靠性高。

本文提出的一种并联两关节仿尾鳍推进装置机构简图见图2-12，其中α(t)是尾鳍机构大臂摆动角，θ(t)是尾鳍绕D点的摆角，ε(t)和ζ(t)为机构计算使用，没有生物学对应意义[8]。

图2-12 仿生鱼尾鳍并联机构
根据并联机构理论，此机构为2R-3R 机构。

根据Grübler 公式，尾鳍推进机构为2 自由度，可以实现2 自由度的仿鱼尾运动。

图2-12 中A、B 为大、小臂驱动电动机轴所在位置，摆角α(t)和β (t)为摆杆转角与x 轴正向夹角，逆时针方向为角度增加方向，x 轴正向同鱼体前进行方向相反，y 轴正方向为垂直x 轴且由右侧指向左侧。

连杆AD、BF、CD、CF 长r m、r a、p、m 可以根据结构需要确定，d 为大、小臂电动机轴间距，DE 为尾鳍，CD 和DE 夹角δ可以根据摆动角度需要进行调节。

尾鳍q 和短杆p 为固联关系其夹角可通过摆动范围指标预先确定。

结合动力学模型，通过控制两个电动机的协调运动可以实现对鱼类尾鳍运动的精确模拟。

结论
在35亿年的进化过程中，生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。

仿生学创立之后，生物体的精巧结构、运动原理和行为方式等已经成了机器人机构有意模仿的对象，仿生机构的高度灵活性和柔性及其高度的易复制性，决定了仿生机构在21世纪必将出现更多的种类，其结构形式也将更加丰富。

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