仿生机械蝎子设计说明书

仿生蝎子说明书 摘要本文通过对蝎子的足部结构，尾部结构等身体构造以及运动方式进行研究，设计了一款依靠曲柄滑块机构驱动的仿生机械蝎子。其中设计制作的关键内容包括：第一、在保障蝎子外形的基础上，在蝎子身体内部，设置腿部行走机构、钳部运动机构和尾部运动机构，电机、电池和变速器等多个装置。第二、通过设计并制作曲柄滑块机构和齿轮-曲柄滑块机构来分别模拟蝎子腿部运动以及尾部运动过程。通过Solidworks软件绘制三维图形，采用Matlab软件来对本次设计的曲柄滑块机构进行运动仿真分析，并得到机构的位移、速度、加速度图像。进一步佐证了机构的可行性。在仿生的基础之上，我们本次的设计理念针对发生灾难后如何及时高效的寻找废墟中幸存者这个关键问题展开。联系实际，通过寻找能够自由穿梭于狭小空间的生物，最终我们选择了常栖息于沙漠岩石之中的小型生物蝎子进行研究。我们希望此仿生蝎子能有力解决灾后环境恶劣、行动不便，人力救援无法深入现场的相关问题。让更多被困灾难之中的人得以获救，减少不必要的损失，提高灾难后的救援效率。从而以救援功能为跳板，使此款仿生机械蝎子也能在军事，工业，地质勘探甚至日常生活中发挥各种各样的功能。完善该仿生机械蝎子，从而达到我们本次设计的最高目的。关键词：仿生机械；蝎子；机器人目录第一章绪论 1第二章设计目的及构思 21.1仿生蝎子的设计目的 21.2蝎子运动分析 31.3东亚钳蝎的步态周期分析 51.4分析结论 6第三章工作原理及结构设计 62.1机械结构简介 62.2机械结构 6第四章机构设计计算 94.1滑块的位移、速度、加速度推导 104.2matlab程序代码 114.3机构位移、速度、加速度、运动图像 12第五章成本核算 14第六章主要创新点 15第七章结论 15第八章作品外形图片 16参考文献 183/22绪论随着生物科学技术的飞速发展，科技人员逐渐发现模仿自然界的生物可以有许多新的设计思路和解决技术难题的方法，因此仿生学便孕育而出了。作为一门独立的学科，仿生学就是模仿生物的科学。从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。科学家发现，在蜻蜓翅膀末端都有一块比周围略重一些的厚斑点，这就是防止翅膀颤抖的关键抗颤振结构，科学家们模仿此结构改装了机翼，从此解决了机翼颤抖的问题。在仿生学的基础上，分别在机械工程领域、建筑工程领域、电子工程领域、控制领域等许多学科开展了仿生的研究，促进了仿生学的迅速发展和与其他学科的交叉、渗透与融合，并形成了许多分支，仿生学已经成为推动科学技术发展的强大动力和连接生物科学与技术科学之间的桥梁。进入21世纪后，仿生学取得了快速发展，并形成了许多分支，如仿仿生电子学、仿生机械学、等。其中，发展最迅速、影响力最大、应用最广泛的是仿生机械学。如仿生机器人已经成为世人皆知的智能化仿生机械。因此我们创新设计出了一款仿生机械蝎子。通过观察蝎子的各种生理特征，我们从研究蝎子腿部运动出发，研究步态信息进而得出正常情况下蝎子的步态周期特性和一个完整周期中蝎子的腿部角度变化，分析比较运动过程中蝎子腿部角度的变化，为仿生机械蝎子的机械结构设计奠定下重要的基础。主要用于进行灾后的救援工作，其狭小的身躯能深入废墟中去寻找伤员，甚至在核污染地区进行勘探工作，避免人工救援，使灾后的重建工作效率不断提高。本说明主要介绍了机械蝎子的工作内容以及创新意义，通过机械原理、机械设计、机械设计制造基础解决其重要核心问题。把自己所学的专业知识运用到实践中去，做到活学活用不拘束于书本上的知识内容，增强我们的创新意识和动手能力。发挥出创新的真正意义。本次作品如下图所示：图1作品整体外观设计目的及构思2.1仿生蝎子的设计目的不论是地震、洪水、海啸、泥石流这类自然灾害，还是火灾、交通事故、核电等人为事故，都在危害着人们的生命安全。平时自然需要注意预防，但当灾难真的不幸发生时，能否及时的展开救援却是我们必须面对的问题。传统的应急抢险救援方式主要依赖人力，辅以各式专业装备。但人力救援却可能力不从心甚至鞭长莫及。例如洪灾发生时，仅靠人力需要花费大力气才能救助到湖中央的溺水者；地震、海啸过后，如何及时高效的搜寻废墟中的幸存者？由于灾后环境恶劣、行动不便，人力救援可能无法深入现场，覆盖面和及时性上也存在一定问题。另外一方面，灾害现场往往充满危险。例如福岛核电站泄漏时，去现场抢险救灾就要面对核辐射的危险；相对更常见的火灾现场和地震现场救援更是需要小心突发的二次灾害，处置稍有不当就可能给救援人员带来严重的安全危险。可见，传统救援方式存在的不便主要有效率、及时性、以及对救援人员带来的危险和困难。这就给了仿生机械登场的空间。我们本次的设计理念在基于仿生这个主题之下，从以上观点出发，对地震、海啸之后，如何及时高效的寻找废墟中幸存者这个关键问题展开。寻找能自由穿梭于狭小空间的生物，对其进行仿生改造，最终我们选择了日常栖息于沙漠岩石之中的小型生物蝎子进行研究。同时，仿生机器人的研究领域相当广泛。可以从仿生学的角度对人和动物肢体的运动学和动力学进行研究，使机器人具有类似生物运动的机构、也可以从生理学的角度对生物体的视觉、触觉和听觉系统进行研究，并作出其物理模型，以便研制机器人的理想信息处理系统；还可以采用电子计算机，进行机器人智能信息处理和肢体运动控制的研究等。综合上所述，所以我们希望通过仿生机械蝎子这个作品，扩充它在多方面，多领域实现其可用性的价值。除了运用在救援方面之外，也可以投入到农业，军事，地质探测等领域中去，之后对其进行电控，信息技术等方面的改造，使本款仿生机械蝎子更具多元化，真正成为能适应各种领域的多功能作品。2.2蝎子运动分析蝎子是动物界节肢动物门蛛形纲蝎目种类的统称。目前，已知蝎子种类有6科，70属，1000余种，世界各地均有分布。如埃及的五条纹蝎、美国南部的卡罗莱尼蝎、欧洲的意大利蝎、墨西哥蝎以及苏夫斯蝎和中国的东亚钳蝎，均属世界著名的蝎子品种。我国的蝎子资源较为丰富，约有15种，产区分布较广，如河北，河南，山东，山西，陕西，安徽等省均有分布，其中，野生蝎子产量最多的是河南、山东两省。主要有东亚钳蝎、东全蝎、山蝎、会全蝎这几种蝎子品种。通过研究蝎子的运动情况，在众多蝎子种类中，我们选取了彼得异蝎和东全蝎两个蝎子品种，研究他们的运动情况。彼得异蝎属于市场上常见的宠物蝎子，容易购买获得其通体黑色，尾针成红黑色，螯肢表面较为细长型而且表面较为光滑，螯肢表面几乎无毛，毒量微小，彼得异蝎属于两爬类动物，对湿度和温度有较高的要求，喜欢潮湿的环境，不喜欢干燥。饲养时，在饲养盒底部铺上椰土，并对饲养空间进行喷水增湿处理。同时，彼得异蝎惧怕抢光，只能在阴凉处饲养，并且昼伏夜出。在攻击状态时，蝎子的两个钳子会高高抬起，尾巴向前直立，尾针对准攻击目标。在对蝎子停止状态下的观察，蝎子静息时，六条腿不会竖直接地，脚部靠前，形成一定斜度，整个腿部和腹部卧在地面之上。但是，在研究其运动情况过程中，发现彼得异蝎不爱活动，用木棍对其挑逗迅速逃跑的情况不是很多，对研究造成了不小的阻碍。图2彼得异蝎

基于彼得异蝎的不好动，我们再次寻找了一些我小型好动灵活蝎子，于是发现了一种市面上用于食用药用的出产于我国本土的蝎子——东亚钳蝎。东亚钳蝎是我国分布最多的蝎子品种，这种蝎子也极易购买经济实惠，我国所说的蝎子大部分都指东亚钳蝎，东亚钳蝎在农村中饲养，常发挥它的药用价值，是一种农业产品，通常不用做宠物饲养。东亚钳蝎是一种蛛形纲节肢动物，而非昆虫本身是一种毒虫，一般同类之间不会传染疾病，也不会存在传染人类疾病的情况。东亚钳蝎双钳，尾巴和腿都呈金黄色，身体呈黑褐色。这种蝎子就比较好动，当用木棍挑逗是能快速逃跑走动，便于我们对其运动形态进行实验观察研究。如图3所示。图3东亚钳蝎1.3东亚钳蝎的步态周期分析通过研究东亚钳蝎动态录像并通过后期图像处理获取蝎子步态信息，对实验所得的系列图像进行处理，进而得出不同地形下蝎子的步态周期特性和一个完整周期中蝎子的腿部角度变化，分析比较运动过程中蝎子腿部角度的变化，为仿蝎机器人结构设计奠定基础。经分析，蝎子第一对步行足的角度变化范围:水平面摆角变化范围为(45.0~135.0)°,腿上第一关节处的角度变化范围为(100.8~176.4)°,腿上第二关节处的角度变化范围为(62.8~124.3)°,腿上第三关节处的角度变化范围为(72.2~162.6)°。蝎子第二对步行足的角度变化范围:水平面摆角变化范围为(550~122.5),退上第一关节处的角度变化范围为(109.9~171.5)°,腿上第二关节处的角度变化范围(48.5~108.1)°,腿上第三关节处的角度变化范围为(82.9~165)°。蝎子第三对步行足的角度变化范围:水平面摆角变化范围为（21.0~73.7)°,腿上第一关节处的角度变化范围为(129.7~171.5)°,腿上第二关节处的角度变化范围为(48.9~116.4）,腿上第三关节处的角度变化范围为(85.1~141.0）。蝎子第四对步行足的角度变化范围:水平面摆角变化范围为(12.2~39.5)°,腿上第一关节处的角度变化范围为(115.2~166.4)°,腿上第二关节处的角度变化范围为(64.6~128.4）°,腿上第三关节处的角度变化范围为(97.5~144.3)°。通过对蝎子地面爬行的图片分析，可以得到蝎子慢速爬行过程中个腿步态起伏的结论：蝎子爬行时，将四对步足分为两组，每一组都由对角线的四条步足组成并且同时运动。当第一组步行足同时抬起时，第二组步行足同时着地支撑和保持平衡；同样，当第二组步行足同时抬起运动时，第一组步行足同时着地支撑和保持平衡。这样循环使蝎子持续前进。通过对蝎子原型的观察和对所得数据的分析，可以得出这样一个结论：蝎子在爬行时，前两对步行足主要起到支撑作用，最后一对步行足主要起向前推动作用。当第一组步行足同时抬起运动时，由第二组步行足的前三条同时着地支撑地面并形成一个三角形的稳定支撑形状，同时第二组步行足的最后一条用力向后蹬地获得向前的推动力。这样两组步行足交替运动形成了蝎子的步态循环。1.4分析结论在对蝎子运动过程中步态起伏和角度的分析后，我们联系蝎子足部的运动特点，决定采用曲柄滑块机构，用齿轮的旋转作为曲柄，带动滑块的上下移动，使机械蝎子的脚步实现左右摆动，从而实现我们机械仿生蝎子的运动，以达到仿生机械的目的。第三章工作原理及结构设计3.1机械结构简介在整个机构的设计中，我们采用自上而下的理念，以仿生机械为目标，最终就是要把该机械装置做得和实体生物大体相似，用机械机构运动来模仿实体生物的正常运动。于是我们从实际生物出发，研究它们的运动特征，步态信息，最终联系机械原理，找出与该运动特征最相似的机械机构，并对该动物的运动进行模仿。本次我们仿生机械所模仿的动物为蝎子，蝎子能运动的部分大体有足部、钳部和尾三个部分，钳部与尾部大多只有在进食和防御的情况下有相对的运动，所以经过我们的观察和讨论，着重从蝎子的腿部运动开始研究和制作。本款仿生蝎子总的来说分为四个部分，外壳，躯干机架，尾部结构和运动机构本次的运动机构我们采用曲柄滑块机构来实现，以曲柄滑块机构来实现仿生机械蝎子的最终运动。3.2机械结构（1）外壳外壳是仿生蝎子的保护壳，避免其工作时内部原件和机械被重物砸伤，它也是外观担当，外壳连接固定在机械蝎子的机架上，同时也用于保护机械蝎子内部的电机以及部分机械结构，最后安装于其前端的两个钳子可以实现开合运动。图4蝎子外壳（2）躯干机架为了便于加工以及控制器、电机的安装，本款仿生机械蝎子的躯干部分采用箱型刚体结构。箱型刚体结构显而易见，可以减少各个脚步之间的相互干涉碰撞；提高该机械结构的稳定性；大大增加了仿生机械蝎子腿部运动的空间。综合以上优点，该仿生机械采用了内部空心的长方形结构，该结构最大的优点就是减轻整个机械装置的重量。同时在各侧面留出轴孔以及设备安装孔，在槽型内部底面留出凹槽，便于电机，电池，控制器的安装以及走线。在原有的箱型刚体结构上添加出蝎子的外壳，尾巴，钳子，真正意义上体现出仿生蝎子的目的。并在长方体槽型身躯左右两边加装曲柄滑块机构的导轨及滑槽，在下部分留出轴孔以及齿轮槽，把这些部分连成一块板。以上就是该仿生机械蝎子身躯部分的全部结构。本次外壳我们采用增材制造技术3D打印进行制作。图5躯干机架（3）尾部结构在蝎子的尾巴部分，其尾部毒针可以前后伸缩运动，机械原理主要为齿轮-曲柄滑块机构。毒针穿过尾部支架连接于一小连杆之上，连杆安装于齿轮圆周之上，从而齿轮的转动带动毒针的前后伸缩。图6蝎子尾部（4）运动机构运动机构我们选择的是用曲柄滑块机构来完成预定的轨迹。该机构具有面接触低副，压强小，寿命长，传动动力大；低副易于加工，制造方便精度也相对较高，可以利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹等特点。运动机构为此仿生蝎子的第三部分，安装于蝎子躯干的左右两边，使蝎子能实现运动功能。并且在曲柄机构之中，根据滑块移动的导路中心线是否通过曲柄的回转中心，把该机构分成对心曲柄滑块机构与偏置曲柄滑块机构。为了避免急回特性的产生，保证每只机械步足的步调一致，因此，我们采用了对心曲柄滑块机构。此机构包括4个红色齿轮，6个蓝色齿轮，4个通轴，2个连接轴，3个滑块（蝎子的步足）以及躯干上的6个滑槽和10个轴孔组成。并且左右对称，安装于蝎子躯干的左右两边。所述滑块在齿轮的旋转下实现左右摆动。如图7所示：图7传动机构所述蓝色齿轮与红色齿轮都固定在轴两端，并通过轴孔，安装于仿生蝎子躯干左右两侧，从左到右一号，三号，五号轴孔安装蓝色齿轮；二号，四号轴孔安装红色齿轮。在齿轮中，蓝色齿轮位于轴孔18mm处打孔，以120度阵列出三个小孔，便于蝎子步足（滑块）的安装；然而红色齿轮除轴孔外表面无其它孔，只起传动作用。当五对齿轮相互啮合之后实现曲柄的功能，在每个蓝色齿轮上安装步足（滑块），再把步足上端卡入躯干的滑槽中去，到此实现滑块功能。使用双轴电机，安装于蝎子最后一根轴中间，实现最终驱动。综上便组装成了一套简单的机械曲柄滑块机构。图8整体传动机构第四章机构设计计算在计算方面，我们采用Matlab软件来对本装置运动部分的曲柄滑块机构进行运动仿真分析，完成曲柄滑块机构的机械原理设计。图9传动机构简图曲柄滑块机构运动简图如上图所示，经过对实际机构的测量，得出滑块AB=54mm，曲柄OA=18mm。4.1滑块的位移、速度、加速度推导A点坐标为，以A为圆心以为半径的圆与x轴的交点即是B的坐标，所以：(1)由曲柄和连杆长度可以计算出xB的最小值为，所以(2)由(1)和(2)可以求出xB：(3)对(3)求导得滑块的速度VB:(4)速度vB已经比较复杂，不再对其直接求导计算加速度的解析表达式，而是利用加速度定义直接计算加速度：(5)式(5)比精度要高，这一点根据泰勒公式很容易证明。用求导的数值计算方法的好处是简单，不容易出现公式输入错误的情况。像公式(3)比较复杂很容易输入错误，第一次输入时第二个ω漏掉了。4.2matlab程序代码clearall;OA=18;%曲柄长度mmAB=54;%连杆长度mmomega=10;%曲柄角速度rad/sdetaTime=0.005;%时间间隔st=0:detaTime:(2*pi/omega);%时间sn=length(t);%数据个数theta=0;%曲柄转角xSlide=zeros(1,n);%滑块位移mmvelocitySlide=zeros(1,n);%滑块速度mm/saccelerationSlide=zeros(1,n);%滑块速度mm/sforiterTime=1:n;theta=omega*t(iterTime);xSlide(iterTime)=OA*cos(theta)+(AB*AB-OA*OA*sin(theta)*sin(theta))^0.5;%公式(3)velocitySlide(iterTime)=-omega*OA*sin(theta)-(0.5*omega*OA*OA*sin(2*theta))/((AB*AB-OA*OA*sin(theta)*sin(theta))^0.5);%公式(4)end%根据速度计算加速度accelerationSlide(1)=(velocitySlide(2)-velocitySlide(1))/detaTime;accelerationSlide(n)=accelerationSlide(1);foriterTime=2:(n-1);accelerationSlide(iterTime)=(velocitySlide(iterTime+1)-velocitySlide(iterTime-1))/(2*detaTime);%公式(5)endfigure(1)plot(t,xSlide,'-*');title('曲柄滑块机构滑块位移');xlabel('时间(s)');ylabel('位移(mm)');figure(2)plot(t,velocitySlide,'-o');title('曲柄滑块机构滑块速度');xlabel('时间(s)');ylabel('速度(mm/s)');figure(3)plot(t,accelerationSlide,'-^');title('曲柄滑块机构滑块加速度');xlabel('时间(s)');ylabel('速度(mm/s^2)');4.3机构位移、速度、加速度、运动图像由MATLAB建模得出此机构的位移、速度、加速度、运动图像，如下图所示：图10曲柄滑块机构位移示意图图11曲柄滑块机构时间-速度图象图12曲柄滑块机构时间-速度图像小结：综上所示，我们通过不断试验与改进，以此基于matlab软件构建了数学模型，并绘制了机构位移、速度、加速度图像。（图1-图3）进一步佐证了机构的可行性。第五章成本核算在成本核算方面，本款机械仿生蝎子的身体躯干机架，步足以及外壳均采用3D打印技术来制作；安装于机架之上以及尾部的齿轮采用6mm厚度的亚克力板，通过激光雕刻机来制作，在孔和轴连接处为了使轴运动更加顺滑，采用轴承安装于孔中，最后再加装轴；至于电机我们目前才用双轴的碳刷抗干扰TT马达来实现对整个机械装置的驱动；之后我们希望把单电机改为两个双轴电机，使机械蝎子实现电控控制，所以购买了芯片AT89C52开发板对其进行编程测试。整个成本明细如下图所示：成本核算明细表名称材料/备注售价及加工费（单位：元）打印耗材PLA436.0激光雕刻材料亚克力板102.0电线铜线3.2控制板芯片AT89C52C52开发板51.0电机碳刷抗干扰TT马达7.0轴承标准件13.0总计612.2主要创新点仿照蝎子的模样，运动方式，以及习性制作出相仿的机械装置，本款产品很好的模仿了蝎子的模样，所设计的仿生机械蝎子同时真实地模拟了蝎子钳部、腿部以及尾部的运动过程。利用曲柄滑块机构实现腿部运动模拟，齿轮-曲柄滑块机构实现尾部运动模拟。设计紧扣大赛主题。设计过程中，本产品运用Solidworks进行机械产品设计，采用Matlab数学建模，得到机构位移、速度、加速度图像。其在实际工作中可以实现红外遥控、避障、循迹等功能，同时尾部的相机可以向操作人员传达视频信息。在制作方面，运用3D打印制作外壳，轴承等部件，工艺简单，可投入大批量的生产。作为灾后救援的仿生蝎子，其体型较小能够进入狭小的空间进行搜救工作，减少不必要的人员伤亡，提高救援效率。不仅如此，本款仿生机械蝎子用途非常广泛，除了运用在救援方面之外，也可以投入到农业，军事，地质勘探等领域中去，使