仿生机械学（下篇共上下2篇）361

1BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第三篇仿生机械设计与分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第六章仿动物步行的机械及设计

第六章仿动物步行的机械及其设计4第六章仿动物步行的机械及设计第一节步行机械概述一、步行机械的优点1、适应复杂路面运动第一节步行机械概述2、足式运动的身体与腿部运动可以解耦，稳定性好。3、能耗小崎岖坚硬路面速度松软地面（25.4cm深度）推进功率轮式车辆5

8km/h

轮式车辆11.3kw/t履带车辆8

16km/h

履带车辆7.46kw/t足式运动可达56km/h

足式运动5.22kw/t轮式、履带式车辆与足式运动对比5第六章仿动物步行的机械及设计第一节步行机械概述二、步行机械的分类与研究内容1、步行机械的分类（1）按照步行方式分类两足步行机械按步行足数分类四足步行机械多足步行机械六足步行机械（2）按步行足的多少分类走行机械爬行机械按步行方式分类八足步行机械6第六章仿动物步行的机械及设计第一节步行机械概述2、步行机械的研究内容（1）模仿动物结构，研究步行机械腿的结构、原理等，设计仿生机械腿（2）研究行走步态，进行各腿的运动协调设计与控制。（3）研究行走稳定性。（4）研究行走的转向与控制手段。（5）研究仿生机械的动力分配与传递。（6）研究仿生机械的感知新系统。（7）研究仿生机械的仿生外形。7第六章仿动物步行的机械及设计第二节步行机械的腿及其设计步行机械腿分为闭链连杆型和开链连杆型机械腿一、闭链连杆型腿的结构第二节步行机械的腿及其设计1、四杆机构腿机构

四杆机构腿结构简单，刚度好。动作可靠，因而应用广泛。

四杆机构腿可直接按照足端运动轨迹曲线设计。8第六章仿动物步行的机械及设计图示的二足步行机械腿机构中，大腿机构为四杆机构、小腿机构也为四杆机构。但驱动方式是液压驱动。第二节步行机械的腿及其设计9第六章仿动物步行的机械及设计2、多杆机构腿在四杆机构的基础上，运用机构组合原理，组成一个多杆系统的机构腿，能比较准确地实现运动轨迹，但设计要复杂些。图示的二足步行机械腿机构中，小腿机构为曲柄摇块机构ABC，再连接表示大腿的级杆组EF,组成一个六杆机构的步行机械腿机构。（1）四杆机构加杆组

第二节步行机械的腿及其设计10第六章仿动物步行的机械及设计图示复杂的四足步行机构中，四杆机构ABCD和四杆机构ABGD为并联机构系统，两个输出构件CD和DG被一个级杆组EFG封闭连接，可得到H点的理想运动轨迹。

该机构自由度计算如下：（2）四杆机构的并联组合第二节步行机械的腿及其设计11第六章仿动物步行的机械及设计（3）五杆机构ABCFG加DE构件约束，形成单自由度的机构,可得到理想步行曲线。图示机构也可以看作在四杆机构GFDE的基础上连接杆组ABC,但这样组合创新思路不明确。H该机构自由度计算如下：第二节步行机械的腿及其设计12第六章仿动物步行的机械及设计（3）由级机构组成的步行机械腿级机构结构复杂，但有良好的连杆曲线作为足端运动轨迹。ABC为级杆组的内接副，O1O2D为外接副，连接原动件O3D，组成级机构。该机构的E点可形成理想的走行曲线。该机构自由度计算如下：第二节步行机械的腿及其设计13第六章仿动物步行的机械及设计（3）由级机构组成的步行机械腿级机构结构复杂，但有良好的连杆曲线作为足端运动轨迹。O1ABO2CDO3为级机构，再连接一个级杆组DFG,P点可形成理想的步行曲线。该机构的E点可形成理想的走行曲线。该机构自由度计算如下：第二节步行机械的腿及其设计第六章仿动物步行的机械及设计（4）复杂的多杆腿机构该机构自由度计算如下：组成分析：五杆机构ABCDE和AFGDE本来各有2个自由度，但是他们有共同的输入和输出构件，使其自由度为1，在巧妙连接一个自由度为零的级杆组HIJ，足端K可产生特殊的运动轨迹。CBADEGFHIJK第二节步行机械的腿及其设计15第六章仿动物步行的机械及设计二、关节关节是两个构件之间的可动连接，可以是运动副型关节，也可以是连杆机构型关节。1、连杆机构关节:两构件之间靠机构相对

运动实现2、运动副关节：

一般为转动副第二节步行机械的腿及其设计16第六章仿动物步行的机械及设计昆虫腿也可以简化为运动副关节（踝关节）第二节步行机械的腿及其设计17第六章仿动物步行的机械及设计3、复合关节：

关节的运动由转动副和连杆机构共同实现。图示六足蜘蛛的腿关节是复杂的复合关节，该机械腿也是变胞机构。第二节步行机械的腿及其设计18第六章仿动物步行的机械及设计三、关节驱动器关节驱动主要有电动机完成，常见关节单机驱动如下：直接驱动直流伺服电机驱动关节驱动同步交流伺服电机驱动步进电机驱动第二节步行机械的腿及其设计19第六章仿动物步行的机械及设计第三节步行机械的步态分析一、两足步行动物的腿部结构1、人类腿部结构：小腿向后弯曲小腿向前弯曲，不能坐躺等。第三节步行机械的步态分析身体2、鸟类腿部结构：小腿向前弯曲有利于起飞蹬踏。身体20第六章仿动物步行的机械及设计二、两足步行动物的步态分析人在正常行走时，两腿交替迈步，分为落地相和抬腿相。单腿抬腿迈步相约占40%，落地支撑相约占40%，双腿支撑相共占20%。每条腿的落地时间为60%，抬腿迈步时间约为40%。右腿左腿第三节步行机械的步态分析21第六章仿动物步行的机械及设计鸟类也是两足步行动物，走路动作与人类有相同点，如双脚前后交替运动，走路时身体左右摇摆等；但与人类走路动作却有很大的差别。如走步时，为了保持身体的平衡，需要头和脚互相配合运动。一般是：当一只脚抬起时，头开始向后收；抬起的那只脚朝前至中间位置时，头收到最后面；当脚向前落地时，头也随之朝前伸到顶点。第三节步行机械的步态分析22第六章仿动物步行的机械及设计三、四足步行动物的步态分析侧对步态：单侧前后腿抬起或着地正常步态：一腿抬起，三腿着地四足动物步态斜对步态：对角线两腿着地或抬起落地离地测对步态斜对步态正常步态不同的运动状态，步态也不相同。如马在奔跑时，可单腿着地、腾空、两腿着地、三腿着地等多种运动状态。第三节步行机械的步态分析23第六章仿动物步行的机械及设计四足步行动物在斜对步态的运动循环如下：四足步行动物在正常行走时，先迈左前腿；然后，右后腿；左后腿；右前腿。0431256第三节步行机械的步态分析第六章仿动物步行的机械及设计四、四足步行机理与分析四足步行动物运动形式相近，四肢的交替运动与身体位姿变化相互协调，不仅省力，而且保持身体的稳定性。图示，牛在站立时，质心如图a所示。两前腿支撑体重的58%,两后腿为42%。L为同侧前后腿之间距离fedcba若提起一条后腿，无论左右后腿，质心位置不变，在稳定三角形内。如图b、c。LF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿实际质心位置初始质心位置落地相抬腿相第三节步行机械的步态分析第六章仿动物步行的机械及设计L为同侧前后腿之间距离fedcbaLF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿实际质心位置初始质心位置落地相抬腿相牛若抬头，质心位置后移，如图d所示，此时前腿承重减少。牛若偏左抬头，质心位置左后移，如图e所示，此时迈右前腿。牛若偏右抬头，质心位置右后移，如图f所示，此时迈左前腿。同理，牛若低头，质心位置前移，此时迈动后腿。第三节步行机械的步态分析26第六章仿动物步行的机械及设计四足步行动物在行走过程中，其头部随着步态变化进行上下摆动。四足步行动物在行走过程中，其头部随着步态变化进行上下摆动。图示为四足步行动物行走相位图。LF：左前腿RF：右前腿LH：左后腿RH：右后腿第三节步行机械的步态分析27第六章仿动物步行的机械及设计图示的牛在行走时，当后腿抬起时，同侧前腿紧接着抬起，后腿落脚点临近前腿脚印，有时超前，有时落后，但不会仿生碰撞。四足动物在行走时，四条腿的交替运动与身体扭动相配合，不会发生干涉，完全取决于大脑的控制系统。四足仿生机器人的运动可靠性也取决于计算机控制系统。第三节步行机械的步态分析28第六章仿动物步行的机械及设计图示为六足步行动物的步态分布六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是典型步态，“六足纲”昆虫步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。第三节步行机械的步态分析29第六章仿动物步行的机械及设计五、步行机械设计案例图示机构为一新型步行机器人的腿，H点可完成理想的足端运动轨迹。该机构可以组装成两足步行机器人，四足步行机器人，六足步行机器人和多足步行机器人。通过调整机构尺寸，可变换足端运动轨迹。两个四杆机构ABCD、ABGD共用一个主动件AB,两个摆杆CD、DG被一个级杆组EFG封闭连接，H点轨迹可作足端曲线。第三节步行机械的步态分析30第六章仿动物步行的机械及设计该连杆型步行机机器人腿机构看起来复杂，实际上组成原理简单。两个相同机构反向链接，可组成两足步行机器人的腿机构。而且能保证一条腿抬起前，另一条腿已经落地，保证行走的稳定性。第三节步行机械的步态分析31第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程主要怕介绍几个经常用到的仿生步行机械系统的方程：1、足端运动轨迹方程：步行机构设计的重要依据。2、步行系统的动力学方程：考虑质量、转动惯量等因素的运动方程，求解关节驱动力矩。3、机械系统质心运动方程：系统运动稳定的依据。以下分别介绍。第四节仿生步行机械系统的运动方程32第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程一、足端运动轨迹方程不同的仿生机器人有不同的足端运动轨迹，足端轨迹方程是机械腿设计的重要依据。图示4自由度的仿生机器人中，单腿可简化为3自由度的开链机构；3自由度开链机构足端C的轨迹方程可以描述为：第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程角度

为小腿与足底法线之间夹角；则上式改为：上述方程中共有6个未知数，，但在仿生机械设计中，构件尺寸往往参照待模仿动物腿部尺寸，故未知数仅有3个角度参数。由路面决定34第六章仿动物步行的机械及设计二、步行机械系统的动力学方程此处的动力学方程是指考虑到构件质量、转动惯量等因素，求解关节驱动力矩。步行机器人的腿的运动是多自由度的非线性运动，动力学方程复杂，应用拉格朗日是常用方法。为简化方程，此处忽略腿的侧摆运动，仅考虑一个前进方向的运动。（a）（b）（c）图示两足步行机械腿机构中，抬腿相与落地相受力不同，建立动力学方程也不相同。第四节步行机械系统的运动方程35第六章仿动物步行的机械及设计1、落地相的腿可参照倒立摆的动力学方程第四节步行机械系统的运动方程大腿、小腿和脚相当于3个构件，各构件尺寸、质心以及绕质心的转动惯量已知。拉格朗日方程一般形式为

36第六章仿动物步行的机械及设计1、落地相的腿可参照倒立摆的动力学方程拉格朗日方程一般形式为其中：E:机构系统动能

U:机构系统势能L：拉格朗日常数落地相机械腿机构的动能为：落地相机械腿机构的势能为：第四节步行机械系统的运动方程

37第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程

（1）（2）（3）

38第六章仿动物步行的机械及设计2、抬腿相的动力学方程点

抬腿相可按照悬空摆列出动力学方程第四节步行机械系统的运动方程

39第六章仿动物步行的机械及设计图示四足步行机械的各构件质心及其尺寸如图，设总质心在C点。步行机械在运动中，其头、颈、躯体、四肢等质心都是变化的，总质心也是变化的。第四节步行机械系统的运动方程三、步行机械质心运动方程由工程力学可知，总质心位置为：直角坐标方程为40第六章仿动物步行的机械及设计

第四节步行机械系统的运动方程41第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程设坐标系选在身体质心处，则有：

42第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程大腿质心坐标为：小腿质心坐标为：zxy43第六章仿动物步行的机械及设计四条腿的质心坐标写成一般形式第四节步行机械系统的运动方程大腿质心坐标方程为小腿质心坐标方程

44第六章仿动物步行的机械及设计第四节步行机械系统的运动方程设头颈上下摆动角度为δ，左右摆动角度为θ，颈部关节为B。头颈坐标为：45第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的设计与分析第五节仿生跳跃机械的设计与分析仿生跳跃机械是步行机械的特例，例如，青蛙、蝗虫、袋鼠等都是可以跳跃的动物，其特点是后肢发达。只有袋鼠是靠跳跃行走的，本章介绍仿袋鼠机构。一、袋鼠的跳跃性能袋鼠后肢发达有力，前肢短小。跳跃高度可达4米。距离可达13米。速度可达50km/h静止落地跳跃一、袋鼠的跳跃性能46第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的设计与分析二、袋鼠腿机构运动简图DCBAEs1髋关节可看作类副47第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的设计与分析三、袋鼠跳跃原理袋鼠腿步肌腱象弹性弓一样，腿部弯曲储能，相当于压缩弹簧，伸展过程相当于释放能量，使身体弹起。肌肉相当于柔性机构，足部空凹为弓足。所以袋鼠可简化为转换质量弹簧系统。第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的设计与分析四、仿生袋鼠机构的设计与分析仿生袋鼠机构的设计重点是腿部机构和尾部摆动机构，尾部摆动机构较为简单，采用曲柄摇杆机构即可。（a）(b)图a所示机构简单，但自由度多，控制复杂，实用性不强；图b所示机构复杂，但自由度少，实用性好。图a有6个自由度。图b变胞机构，自由度为149第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的设计与分析落地阶段：腾空跳跃阶段：气弹簧没有作用，整个机构相当于一个刚体，绕A点摆动。气弹簧压缩，产生相对运动，并积蓄能量。7地面23165412345750第六章仿动物步行的机械及设计第五节仿生跳跃机械的设计与分析袋鼠在连续跳跃过程中，质心运动类似抛物线。仿生袋鼠在落地时，通过气弹簧作用在身体上，又产生一个弹跳力，连续跳跃过程中，质心运动类似抛物线。袋鼠机器人可以应用特定场合。前肢可以作为工作执行器。第六章仿动物步行的机械及其设计第六章结束52第三篇仿生机械设计与分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY53第七章仿动物爬行的机械及设计第一节爬行动物概述BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY54第七章仿动物爬行的机械及设计第一节爬行动物概述一、爬行动物分类第一节爬行机械概述有腿类爬行动物爬行动物分类有足类爬行动物无腿足类爬行动物对有腿类动物，无论是走行还是爬行，其步行运动机理是相同的，都是交替迈步，依靠脚底与地面的摩擦力驱动身体运动。55

第七章仿动物爬行的机械及设计第一节爬行动物概述1、有腿类爬行动物指有大腿、小腿、脚以及相应关节的有腿类爬行动物。可分为四足、六足、八足和多足类。大腿小腿足2、有足类爬行动物没有明显的大腿、小腿，只能看到短短的一部分，称之为足。如尺蠖类的足。一般为6-12对足。56

第七章仿动物爬行的机械及设计第一节爬行动物概述3、无腿足类爬行动物：主要有蛇类、蚯蚓类。蚯蚓为环节结构，体表分布极细的刚毛，当后部刚毛插入土中，环肌收缩，纵肌舒张，身体前伸：然后，前部刚毛插入土中，纵肌收缩，环肌舒张，身体前缩短；利用环肌与纵肌的交替收缩与伸张和刚毛交替插入土中，实现身体的爬行。蚯蚓;57

第七章仿动物爬行的机械及设计第一节爬行动物概述蛇类;蛇类主要有几下几种爬行方式;

1）蜿蜒爬行运动：

2）履带爬行运动：蛇作水平波状弯曲，身体与粗糙地面的切向摩擦力与法向摩擦力之差，是推动力。蛇肌肉依次收缩，肚皮麟片翘起，向车辆履带一样推动身体直线前进。58

第七章仿动物爬行的机械及设计第一节爬行动物概述蛇类;

3）伸缩爬行运动：蛇头抬起，肌肉依次收缩，驱动身体运动。59

第七章仿动物爬行的机械及设计第一节爬行动物概述二、步行、走行和爬行1、步行：有腿动物通过交替迈步，通过脚底与地面的摩擦力推动身体运动。2、走行：动物的腿由身体向下伸出，并能支撑体重，

这样的步行称为走行，如马等。3、爬行：动物的腿由身体向两侧伸出，不能支撑体重，移动时经常肚皮着地，这样的步行称为爬行，如蜥蜴等。60第七章仿动物爬行的机械及设计第二节仿生机械尺蠖及其设计第二节仿生机械尺蠖及其设计一、尺蠖外部结构：1、环节：尺蠖身体由若干环节组成，其足分为胸足、腹足和尾足，不同尺蠖，各足对数不同，且足底长有刚毛，用于抓紧物体。2、胸足：头后胸部的足，一般1-4对3、腹足：一般1-6对，当足数较少时，经常靠近尾足。4、尾足：一般1-2对。胸足腹足尾足环节61

第七章仿动物爬行的机械及设计二、尺蠖运动原理尺蠖足底长有刚毛，可抓紧树枝。胸足抓紧，利用环节收缩。后部身体可以前进或者弓起身体，尾足抓紧，胸足放开，使身体前进。图示二铰链杆中，两端滚轮内部有两个内棘轮，当二轮分开时，一棘轮棘爪制动棘轮，棘轮不转，与地面形成滑动摩擦；一棘轮棘爪滑过棘轮，与地面形成滚动摩擦由于滚动摩擦系数小于滑动摩擦系数，则滚轮前进。第二节仿生机械尺蠖及其设计图示曲柄滑块机构也能实现伸缩运动，环节A1不动，曲柄转动时，带动上环节C1下移;当C1移动到C3位置，C3环节不动，曲柄继续转动，A环节下移，当下移到A5时，A5环节再固定，C5环节再次下移，实现各环节的连续移动。

第七章仿动物爬行的机械及设计555444第二节仿生机械尺蠖及其设计63

第七章仿动物爬行的机械及设计三、尺蠖运动机构的设计----关节足尺蠖的足与身体的连接可以看作3自由度的球面副，为简单起见，可简化为2自由度的球销副，还可以用两个转动副代替球销副。一个转动副用于迈步；一个转动副用于抓紧树枝；第二节仿生机械尺蠖及其设计64

第七章仿动物爬行的机械及设计尺蠖的足与身体的连接可以用四杆机构实现，曲柄绕A点转动，挖按成迈步动作；整个机构绕AD轴摆动，可完成抱紧动作。三、尺蠖运动机构的设计----连杆机构足第二节仿生机械尺蠖及其设计65

第七章仿动物爬行的机械及设计第三节仿生机械蚯蚓及其设计第三节仿生机械蚯蚓及其设计一、压电陶瓷伸缩移动蚯蚓1、压电陶瓷伸缩驱动器组成：（1）基座：（2）基准挡板：（4）导向机构：（6）驱动机构：产生移动（7）钳位机构：用于固定驱动器一端（3）调节挡板：（5）压电陶瓷：66

第七章仿动物爬行的机械及设计第三节仿生机械蚯蚓及其设计2、压电陶瓷伸缩驱动器移动原理：（1）左侧钳位机构W陶瓷通电，驱动W机构伸长；（2）左侧钳位机构W陶瓷通电，中间驱动机构Y通电，驱动机构Y伸长；（3）保持W、Y通电，右侧钳位机构Z通电，Z伸长钳紧；（4）W断电，Y、Z继续通电，左侧钳位机构W收缩；（5）W断电，Y断电,Z继续通电，中间驱动器Y缩短；（6）Y、Z保持不变，W通电，机构右移一步；67

第七章仿动物爬行的机械及设计二、蚯蚓的结构化设计1、模块化的蚯蚓2、蠕动伸缩型蚯蚓3、神经元模块型蚯蚓蠕动伸缩型蚯蚓神经元模块型蚯蚓第三节仿生机械蚯蚓及其设计68

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计第四节仿生机械蛇及其设计一、仿生机械蛇研究的发展概况仿生机械蛇可以在特殊地区、特殊环境进行侦查、收集情报、灾区探测、清理管道等多项用途，因此仿生蛇形机器人的研究发展很快。但仿生蛇形机器人的研究还有很多理论和工程问题没有很好解决。检查身体特殊环境管道探测侦查69

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计二、蛇的运动机理分析蛇没有脚，却能在极其复杂环境行动自由，主要依靠众多的脊椎骨、每块脊椎骨都连接一对肋骨以及与脊椎骨、肋骨、腹麟连接的肌肉，其运动机理与之有关。蛇的运动机理是仿生机器蛇所设计的理论基础，蛇的运动机理有三种类型：蜿蜒运动机理：直线运动机理：侧向运动机理：以下分别说明：70

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计

1、蜿蜒运动机理：蛇的肌肉收缩从前部开始，以波动方式向后传播，身体呈S状。向外弯曲部分受到地面的法向反力Fn和摩擦力Ff，合成F。F力分解为纵向分力和横向分力。纵向分力是前进力，横向分力由弯曲部分平衡。

F

F71

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计

1、直线运动机理：肌肉收缩，带动肋骨、腹麟收缩，然后再伸展，身体向前移动。这类运动速度慢。72

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计

3、侧向运动机理：从头部开始，身体依次接地、抬起、在接地，蛇体弯曲部分推压地面，完成侧向运动。

侧向运动时，蛇体部分接触地面，部分腾空，适合在高温的沙漠地带爬行。73

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计三、仿生机械蛇的关节模块设计

1、仿生机械蛇的机构运动简图设计

B1A1,B2A2,B3A3都是一个模块，是仿生机械蛇的典型模块。模块结构如下图。74

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计模块之间关节间转角是有一定限制的。达到某个角度时，模块会相互碰撞接触，阻止关节转动。关节最大转角求法参见下图。最大关节转角δ可由下式求出。

2、模块的装配

(1)防止碰撞条件75

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计

1)安装舵机：

2)安装摩擦底面：

3)安装相邻模块关节：

4)模块系统连接：分为平行销和垂直销连接两种。

(2)模块装配次序安装舵机1）模块1模块23）安装摩擦底面2）平行销垂直销76

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计四、仿生机械蛇的模块的类型机器蛇的模块形状和装配方式与蛇的形状和运动形式密切相关。77

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计平行连接垂直连接模块的连接销轴平行连接的蛇，可实现平面弯曲的波形运动销轴垂直连接的蛇，可实现空间弯曲的波形运动78

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计蛇的蠕动爬行与肌肉伸缩爬行原理是不同的。五、仿生机械蛇的蠕动原理伸缩爬行是头尾依次支撑住地面，通过肌肉收缩与伸展，实现爬行的。机械蛇不具备这种特性。蛇的蠕动是在关节的推动波作用下，利用前进摩擦系数小于向后摩擦系数的道理，实现爬行的。假设在初始状态，蛇体为一直线，身体简化为若干关节的开链杆机构；每个关节处安置一个舵机,图示为8个关节。蠕动过程可以分为以下三个阶段。5432107679

第七章仿动物爬行的机械及设计第四节仿生机械蛇及其设计1)波峰形成阶段：2)波峰过度阶段：舵机1、2、3工作，关节1拱起形成波峰,尾部关节跟进（向前的摩擦系数小）3)波峰形成阶段：头尾舵机1、2、3、4工作，波峰由关节1向2传递。舵机4、5、6、7依次工作，关节2形成波峰，完成波峰的传递,第七章仿动物爬行的机械及设计

六、蛇的蜿蜒运动方程蜿蜒曲线方程可以比较准确描述蛇的平面蜿蜒运动规律(serprenoidcurve)图示为通过XOY平面坐标原点、蛇脊椎的蜿蜒曲线。该蜿蜒曲线任一点S的坐标为：参数a决定了曲线幅度大小；参数b决定了曲线频率、幅度；参数C决定了曲线的偏移形状

为积分变量第四节仿生机械蛇及其设计第七章仿动物爬行的机械及设计

六、蛇的蜿蜒运动方程假设长度为L的蛇体，分为n等分，每等分长度为L/n,弧长S为：则；近似蛇形曲线方程为：第四节仿生机械蛇及其设计第七章仿动物爬行的机械及设计第七章结束第四节仿生机械蛇及其设计第三篇仿生机械设计与分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY84第八章仿动物飞行的机械及设计BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY85第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述第一节飞行动物概述鸟类9000种飞行动物其他类蝙蝠、飞鼠昆虫类100万种大部分会飞以下分别介绍：86第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述一、昆虫1、飞行昆虫的共同点（1）都有六条腿（2）都有两对翅膀（3）翅膀是带有翅脉的膜状结构

前足，中足、后足各一对苍蝇后翅退化有些昆虫前翅演化为鞘翅鞘翅87第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述2、昆虫的翅膀翅膀是昆虫飞行的工具，也是设计仿生昆虫的关键。有必要研究昆虫翅膀的结构。（1）翅脉翅膜与脉相（翅膀上在纵横交错的角质结构，称翅脉；翅脉的分布形式称脉相。翅膀上的角质膜，称为翅膜。蝉的翅膀蝴蝶翅膀蝗虫翅膀88第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述（2）翅脉结构与类型翅膀结构：除鞘翅外，担任飞行翅膀的结构基本相同，以蜻蜓翅膀为例：翅脉分为前缘翅脉、中部翅脉、次翅脉、后缘翅脉翅尖等，最新研究表明，翅脉中有血管分布。细长翅膀的蜻蜓还有翅痣。鞘翅89第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述不同昆虫，翅膀结构与形状有很大不同，前后翅膀大小也不相同。有些昆虫前翅骨化为鞘翅，看不到翅脉，如甲壳虫；有些骨化较轻，可见翅脉，如蝗虫类，称为覆翅；有些后翅退化为平衡棒，如苍蝇、蚊子等。蜻蜓翅膀蝴蝶翅膀甲壳虫翅膀蝗虫翅膀蝉的翅膀苍蝇翅膀

鞘翅平衡棒90第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述

昆虫翅膀的类型，大致可分为A膜翅：角质膜B缨翅：边缘有毛C毛翅：膜面上有毛D鳞翅：膜面有鳞状物E覆翅：前翅骨化低，

可见翅脉H平衡体：后翅退化为棒状F半鞘翅：翅根鞘翅，

翅尖膜翅G鞘翅：前翅骨化91第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述（3）翅的连锁：蜻蜓、蝗虫等长翅类的前后翅膀都是单独工作的，当后翅变小但在飞行中仍然起作用，则后翅通常以各种形式的连锁器与前翅挂在一起，行动起来成为一个整体，使飞行更为有效。不同昆虫的连锁器结构不同，或为钩状，或为数根鬃毛，或为卷褶状。设计仿生机械昆虫翅膀时，要知道前后翅膀的连锁情况。（4）飞行距离与速度：有些昆虫，如蝗虫，可飞行上千公里，飞行速度也很快。如，蜜蜂：2.5-6m/s；蜻蜓：10-20m/s；蝴蝶：8m/s，蝗虫，3m/s92第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述（4）翅膀振动频率名称蝴蝶飞蛾蜜蜂苍蝇蚊子蜻蜓蝗虫甲虫频率(次/秒）105---6300——400300500---60010——131880——1056翅膀振动频率是设计昆虫翅膀煽动次数的重要依据，下面数据仅供参考。二、鸟类1、鸟类的形态与结构鸟类身体呈流线型，布满羽毛，飞行阻力小；翅膀面积大。骨骼轻，胸肌发达。膝关节向前弯曲，有力于起飞。93第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述二、鸟类1、鸟类的形态与结构鸟类身体呈流线型，布满羽毛，飞行阻力小；翅膀面积大。骨骼轻，胸肌发达。膝关节向前弯曲，有力于起飞。鸟类的骨骼中空，可储存空气，减轻飞行重量。942、鸟类的翅膀翅膀是轻巧的可变翼，是由前肢演化而来的。手掌骨上的羽毛称为初级飞羽，产生飞行推力；在小臂上生长的羽毛为次级飞羽，产生升力；腕部羽翼其控制作用；肱骨尺骨和桡骨翅膀长度的平方除以面积。称展弦比。展弦比大，飞行能力强。掌骨肱骨尺骨和桡骨肩关节肘关节腕关节L第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述3、鸟类的飞行鸟类的飞行滑翔、翱翔和扑翼飞行（1）滑翔：翅膀不扇动，向下方滑行（2）翱翔：翅膀不扇动，利用热气流或不同高度水平风锁产生的水平气流飞行。（3）扑翼飞行：煽动双翅飞行的动作，是主要飞行方式，是飞行仿生的研究重点。滑翔飞行翱翔飞行扑翼飞行96第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述4、鸟类翅膀煽动频率振翅频率与体型有关。英国鸟类学家

C.J.Pennycuick

给出了振翅频率的公式：其中m为鸟的质量(kg)g为重力加速度b为翼展S为翼面积

为空气密度鸟类体重越大，翅膀煽动频率越低，一般情况下，翅膀煽动频率与飞行状况有关，不是一个固定值，这里仅是最大值；煽动频率是设计仿生鸟类的重要依据。如：蜂鸟约为80/s；野鸭约为5/s，鸽子8/s97第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述四、其他飞行动物除去鸟类、昆虫类动物，还有些动物可以飞翔或滑翔。1、蝙蝠：蝙蝠翅膀没有羽毛，飞行技术也很高超，在夜晚外出捕食飞翔是蝙蝠的一大特点。蝙蝠翅膀也是由上肢演化的，大臂、小臂以及手指骨支撑翅膀。98第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述2、会飞的鼯鼠4、会飞的蜥蜴鼯鼠相同点：腹部两侧有可伸展的膜，展开后可滑翔。3、会飞的鼯猴鼯猴蜥蜴5、会飞的鱼99第八章仿动物飞行的机械及设计第二节飞行机理简介第二节飞行机理简介一、伯努利（bernoulli）方程根据能量守恒定律，伯努利提出了“流体动能+重力势能+压力势能=常数的概念”，建立了著名的伯努利方程。ρ---流体密度

v---流体某点速度g---重力加速度

h---流体某点高度

p---流体某点压强其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。100第八章仿动物飞行的机械及设计第二节飞行机理简介伯努利方程的应用图示鸟的翅膀，上方为流线型曲线，下方近似直线，气流通过时，上面流速快，则压力小，下面气流慢，则压力大；翅膀上下产生了压力差，使鸟类飞行时产生举升力。翅膀气流通过面积S1后，流经上方流通面积变小为S2。使流速增快。压力变小。101第八章仿动物飞行的机械及设计第二节飞行机理简介飞机机翼的上表面是流畅的曲面，下表面则是平面。这样，机翼上表面的气流速度就大于下表面的气流速度，所以机翼下方气流产生的压力就大于上方气流的压力，飞机就被这巨大的压力差“托住”了。就是依据伯努利方程的基本原理。图示鸟翼向下扇动翅膀时，由于惯性原理，上方空气不会立即向下运动，气压降低；下方空气不会立即向下运动，则下方空气压力增加，产生了举升力。二、举升原理由于翅膀上下方的压力差，使翅膀周围产生气流差，也增加举升力。扇动次数越多、举升力越大。102第八章仿动物飞行的机械及设计第二节飞行机理简介当鸟类向斜下方扇动翅膀时，空气的法向反力可分解为向上的升力和水平分力，即向前飞行的动力当垂直扇动翅膀时，举升力与鸟类重力平衡时，可水平飞行或静止不动。向上或向下飞行，取决于举升力和重力的大小。三、前进飞行原理：103第八章仿动物飞行的机械及设计第二节飞行机理简介当鸟类翅膀前倾时，前缘低，后缘高，扇动翅膀时，会产生水平驱动力，推动鸟类向前飞行。当鸟类翅膀前倾时，前缘低，后缘高，扇动翅膀时，会产生水平驱动力，推动鸟类向前飞行。翅膀与水平气流所夹的角度

，称为攻角或迎角，适当的攻角会提高举升力。第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计第三节昆虫的飞行与仿生设计一、昆虫飞行机理分析以蜻蜓为例：六足生在胸节下方，两对翅膀生在胸节背板处，四肢翅膀独立扇动。有背板肌肉控制。蜻蜓翅膀为膜状弹性结构，不具备流线型形状。上下扑动翅膀不足以产生足够升力和前进推动力，翅膀必须能绕翅根轴线旋转，才能有效飞行。（与鸟飞行不同）105第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计二、昆虫翅膀机构及其自由度蜻蜓的生物原型到生物模型的机构简图如下：(a)(b)(c)图a为3自由度的球面副；图b为3个单自由度的转动副，图c为二个转动副：图c为应用型机构简图；1个转动副负责扇动翅膀，一个负责扭动翅膀。106第八章仿动物飞行的机械及设计三、昆虫振翅频率的测定第三节昆虫的飞行与仿生设计昆虫飞行的振翅频率较高，很难计算，一般采用实验法测定振翅频率。当高速摄影的频率接近翅膀振翅频率时，翅膀静止不动，此时，高速摄影频率即为振翅频率。粗略实验结果为：振翅频率与其质量的负四分之一次方成正比。

107第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计四、昆虫翅膀的折叠有些昆虫在不飞行的时候，翅膀可以折叠起来，后方软翅折叠后，藏在前面收起的鞘翅里面，如蝗虫和一些甲虫等。昆虫后翅的折叠，一般不同时进行，抖动腹部肌肉，，类似折叠扇子那样，把后翅收起，再收起的鞘翅覆盖前翅。昆虫后翅的折叠是非常复杂的动作，对设计折叠类产品很有借鉴作用。108第八章仿动物飞行的机械及设计第二节飞行机理简介从折叠翅膀的角度看，3自由度翅膀更为有利于飞行。 R1用于扭翅，R2用于收翅，R3用于扇翅或扑翼飞行。图示昆虫鞘翅的扭翅扭摆用于产生推动力，后翅扑翼产生升力。可折叠翅膀机构类型很多，图示为简单的四边形机构。109第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计五、仿生昆虫机器人腿部结构昆虫机器人的地面运动属于爬行运动，其腿部机构可按照爬行动物的步行机构设计；但一般为六足爬行。典型爬行腿机构如下：R1为迈步，R2为抬腿作为结构图，右为机构简图110第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计六、仿生昆虫机器人仿生昆虫机器人大都为微型机器人，比较典型的有蜻蜓机器人、蝴蝶机器人、苍蝇机器人、以及各类昆虫机器人，111第八章仿动物飞行的机械及设计第一节飞行动物概述仿生蜻蜓机器人112第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计仿生蜻蜓机器人1实现扭翅和扑翼两个翅膀动作是蜻蜓机器人设计重点，同时对实现这俩个动作的传动机构进行设计。参照图示机械装置。113第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计仿生蜻蜓机器人2该机器蜻蜓系统共采用9台伺服电动机，其中1台伺服电动机安装在主体架构底部，负责调节翅膀的振动频率（频率在15到20赫兹之间）4个翅膀关节均安装2台伺服电动机，独立控制翅膀的振幅，幅度在之间；每个翅根最大可旋转，用以控制攻角。完成前进、后退或者侧向移动，可进行快速加速、减速、转弯和后退等动作。114第八章仿动物飞行的机械及设计第三节昆虫的飞行与仿生设计仿生蝴蝶机器人翼展长度为50厘米，重量只有32克。两台电动机独立地驱动两只翅膀，装有一个IMU（惯性测量单元），用于检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号以及载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态，还有两个90毫安的聚合物电池。机器蝴蝶机翼本身使用的是碳纤维骨架，并覆盖更薄的弹性电容膜。其每秒拍打1-2次翅膀，最高速度可达到2.5m/s，，图示为德国机器人公司FESTO研制的仿生机械蝴蝶。第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计一、扑翼飞行与扑翼机第四节鸟类的飞行与仿生设计扑翼飞行是指翅膀上下扑动，同时翅膀沿扭转轴扭转，使迎角迅速地改变，称这种飞行为扑翼飞行。在翅膀下拍至最低点时，翅膀快速地向外扭转，而在翅膀上抬至最高点时，翅快速地向内扭转。第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计二、扑翼机构的设计与分析鸟的扑翼飞行和起飞与着陆是仿生鸟类机器人设计的两大难点。扑翼机构基本可分为两类，关节型仆翼机构和连杆型仆翼机构。昆虫类翅膀经常采用关节型仆翼，可采用压电陶瓷驱动机构、交变磁场驱动机构、静电致动胸腔式扑翼机构，压电晶体(PZT)致动机构，人工肌肉驱动机构等。飞鸟类扑翼经常采用连杆型扑翼机构，采用伺服电机驱动。连杆机构型扑翼飞行机构主要涉及到机构选型设计与自由度的计算117第八章仿动物飞行的机械及设计1、扑翼机构自由度的计算第四节鸟类的飞行与仿生设计扑翼机构两个翅膀的上下扑动只有一个自由度，图示为典型连杆机构型的仆翼机构。没有考虑绕翅根轴线的转动自由度，也就是说缺乏翅翼扭转形成的攻角，由于翅膀采用流线型结构，也能满足前进要求。例1：118第八章仿动物飞行的机械及设计例：扑翼机构自由度的计算第四节鸟类的飞行与仿生设计机架119第八章仿动物飞行的机械及设计例3：扑翼机构自由度的计算第四节鸟类的飞行与仿生设计120第八章仿动物飞行的机械及设计翅膀扑翼运动的驱动第四节鸟类的飞行与仿生设计昆虫和鸟类的飞行依靠控制胸部肌肉弹性运动控制翅膀的扑翼运动，。图示为昆虫胸部结构，左翅膀胸肌收缩，翅肌放松，翅翼向上扑动，反之，则向下扑动。昆虫胸翅结构可用图示铰链四连杆机构代替，铰链四杆机构相当于骨骼和关节,弹簧相当于胸部肌肉,是系统中的柔性构件和储能元件。当扑翼飞行翅膀上拍时,弹簧拉伸,储存能量,下拍时,在回复力作用下恢复原长,释放能量。121第八章仿动物飞行的机械及设计2、机构尺寸设计第四节鸟类的飞行与仿生设计经过大量飞行姿态测试，发现一般飞行状态下，翅膀的扇动角度保持在

左右

以图示铰链四杆机构为例，说明其尺寸设计已知：摆杆长度BC

机架长度OC翅膀上下摆角

122第八章仿动物飞行的机械及设计设计过程如下：第四节鸟类的飞行与仿生设计

1）选择比例尺作三角形2)以C为圆心，机架OC为半径作圆，在该圆上任选一点O,画出通过OB1B2三点的圆，连接，其中：

A为曲柄尺寸，b连杆尺寸；3）验算最小传动角该机构通过反复修改给定尺寸，可有无数解。A为曲柄尺寸，b连杆尺寸；第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计3、运动分析得到机构尺寸后，还需进行运动分析，验算翅膀摆动速度与加速度是否合理，如果不理想，可重新进行尺寸设计。（1）建立直角坐标系xOy，坐标原点通过O点，x轴沿机架OC方向。（2）封闭矢量环如图示，连架杆矢量外指（分别指向与连杆连接处铰链中心），余者任意确定。封闭环矢量方程为：该机构的身体坐标系为，各构件角度位置也是参照该坐标系设定的。但利用该坐标系解题有些麻烦。将该坐标系旋转角度，得到新坐标系xOy,利用该新的坐标系列出位置方程则要简便的多。124第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计（3）列出各矢量的投影方程。注意各矢量与x轴的夹角以逆时针方向为正。

4）位移方程对时间求导数，可得到速度方程。两边求导并整理后：125第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计此方程为线性方程组，可用消元法求解出构件2、3的角速度（5）速度方程再对时间求一次导数，可得加速度方程。

126第八章仿动物飞行的机械及设计铰链四杆机构在扑翼机构中有广泛的应用第四节鸟类的飞行与仿生设计（a）（b）（c）图示为铰链四杆机构在3个位置的情况。每个翅膀对应一个四杆机构，两曲柄固接。该机构的自由度计算如下:127第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计图示左边机构的翅膀为弹性材料，用绳索与滑轮连接，滑轮由舵机驱动。该机构也可等效为一个铰链四杆机构。图示右边机构为便自自由度机构，翅尖拉杆与机架的移动副是可变的，只有在向下和向上两个极限位置其作用，其他过程依靠翅根、翅中和翅尖铰链的柔度控制整个翅膀的运动。第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计FEDCBAG54321运动副G起作用时的自由度运动副G没有起作用时的自由度

FEDCBAG54321129第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计三、扑翼机构的应用人类模仿鸟类飞行，很早就研究扑翼机构；传说在2000多年前，我国春秋时代，鲁班就研制扑翼木头飞鸟。进入21世纪后，扑翼飞行机构的研究取得很大进展。扑翼飞行鸟扑翼飞行蝙蝠130第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计131第八章仿动物飞行的机械及设计第四节鸟类的飞行与仿生设计132第八章仿动物飞行的机械及设计第八章结束第四节鸟类的飞行与仿生设计第三篇仿生机械设计与分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第九章仿动物水中游动的机械及其设计BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY135第九章仿动物水中游动的机械及设计一、游动类型第一节水中游动的动物概述第一节水中游动的动物概述鱼类能游泳，主要是靠身体两侧肌肉的收缩和鱼鳍摆动的协调。以图示鲫鱼为例，鱼鳍分为胸鳍、腹鳍、背鳍、臀鳍和尾鳍；每条鱼都有两个胸鳍和两个腹鳍，对称地长在身体两侧，主要用来控制方向和刹车。而背鳍、臂鳍和尾鳍都只有一个，用来保持身体的平衡。136第九章仿动物水中游动的机械及设计鱼鳍的功能：了解鱼鳍功能，对于设计仿生机械鱼有重要意义。第一节水中游动的动物概述胸鳍一对：位于身体两侧，用控制方向、制动，也可缓慢运动。鱼鳍的功能腹鳍一对，位于身体下方，相当于后肢，保持身体的稳定性尾鳍一个：主要推动身体前进臀鳍一个，位于身体后下方，保持身体平衡背鳍一个：位于身体上方，防止身体行倾斜侧翻，用于控制位姿。臀鳍腹鳍尾鳍背鳍胸鳍137第九章仿动物水中游动的机械及设计不同种类的水中动物，由于在水中生活环境的不同，其鱼鳍的分布相差很大。第一节水中游动的动物概述138第九章仿动物水中游动的机械及设计2、鲸豚类第一节水中游动的动物概述鲸、海豚等哺乳动物是水生动物，但不属于鱼类，和鱼的游泳姿势也不相同。如图所示的海豚，仅有背鳍一个，前鳍一对，尾鳍一个。臀鳍已经退化。尾鳍与其轴面垂直，上下摆动身体可实现直线游动。其他鳍的功能与鱼类相同。139第九章仿动物水中游动的机械及设计3、水母类第一节水中游动的动物概述水母钟状身体下面有一些特殊的肌肉，能扩张和收缩；或者说，水母通过收缩外壳挤压内腔的方式，改变内腔体积，喷出腔内的水，通过喷水推进的方式进行移动。内腔扩张，水流慢慢吸入，充满内腔；然后，内腔迅速收缩，将水流挤出腔体，水流喷出产生的推力使水母沿身体轴向的方向运动。140第九章仿动物水中游动的机械及设计一、游动方式第一节水中游动的动物概述摆动身体为主的推进游动方式喷射水流推进摆动尾鳍为主的推进游动方式主要有三种类型摆动身体喷射水流摆动尾鳍摆动尾鳍141第九章仿动物水中游动的机械及设计第一节水中游动的动物概述体型平扁的鳐类和魟类，它们的胸鳍演化为身体边缘的体盘，如图所示。当胸鳍上下扇动成波浪形运动可使身体前进。但在一些长形的鱼类，如带鱼的背鳍、电鳗的臀鳍，海鳗的背鳍和臀鳍都很长，当急速前进时，它们和整个躯体的波动一致。推动鱼体缓慢游动时，则靠单独波动来推动身体。一些体型短小的鱼类，如图所示的比目鱼，也通过长形的背鳍与臀鳍前后波动帮助鱼体徐徐前进，而图示的海马体型特殊，运动能力弱，主要以细小的背鳍起推动作用。142第九章仿动物水中游动的机械及设计一、卡门涡街现象第二节游动机理分析第二节游动机理分析

流体在以适当的速度流经物体后，其中一侧的旋涡顺时针方向转动，另一旋涡则反方向旋转，这两排旋涡相互交错排列，开始时，这两列线涡分别保持自身的运动特性，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡街,称之为卡门涡街。143第九章仿动物水中游动的机械及设计卡门涡街现象

ρ：为流体密度

v：为前方来流的流速

μ：为流体运动粘性系数L：为物体尺寸，如障碍物为球体，则为直径，若为飞机，则为机翼长度等。第二节游动机理分析144第九章仿动物水中游动的机械及设计二维圆柱低速定常绕流的流型只与Re数有关。(a)在Re≤1时，流场中的惯性力与粘性力相比居次要地位，圆柱上下游的流线前后对称，此Re数范围的绕流称为斯托克斯区。

第二节游动机理分析145第九章仿动物水中游动的机械及设计

卡门涡街现象使障碍物后方流体形成一个反向流动，根据作用于反作用原理，障碍物自然受到与水流相反的作用力。第二节游动机理分析146第九章仿动物水中游动的机械及设计二、反卡门涡街现象卡门涡街生物旋涡产生向前的水流，如果把旋涡反向，旋涡可产生向后的水流。鱼尾的摆动就是制造反卡门涡街，产生向后的水流，从而推动身体前进。身后水流方向身后水流方向卡门涡街反卡门涡街障碍物鱼第二节游动机理分析147第九章仿动物水中游动的机械及设计三、摆动身体前进机理分析

第二节游动机理分析148第九章仿动物水中游动的机械及设计四、鱼类游动的推动力前进方向Fxy鱼类游动的推动力有三种：1、尾鳍摆动产生的尾涡推动力2、惯性推动力：当鱼体摆动时，除自身动量改变外，还带动周围流体改变动量，这

部分动量会产生附加惯性力，大小为：m—被带动流体的附加质量v—鱼体横向摆动速度第二节游动机理分析149第九章仿动物水中游动的机械及设计3、鱼体前缘吸力当水流过鱼体上曲率很大的钝前缘和尾鳍前缘时,局部流速增大,形成低压区,产生前缘吸力,也构成一部分推力，占总推力的10%左右。鱼在游动时，真正的推动力是这三部分作用力之和。第二节游动机理分析前进方向xy前缘负压区150第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析一、机构简图设计第三节仿生机械鱼的设计与分析1、鱼体的体型设计鱼类大致有如下四种体型：（1）纺锤型(又称梭型)：这种体型的鱼类，头、尾稍尖，身体中段较粗大，其横断面呈椭圆形，侧视呈纺锤状。如所示锦鲤即为梭形体型。（2）侧扁型：鱼体较短，两侧很扁而背腹轴高，侧视略呈菱形。图示鳊鱼为侧扁形体形。151第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析1、鱼体的体型设计（3）平扁型：这类鱼的形体特点是鱼体背腹平扁，左右轴明显地比背腹轴长。这种体型刚好和侧扁型相反，从前方看去鱼体像一条横线，如图所示鳐鱼为平扁形体型。（4）圆筒型(棍棒型):鱼体较长，其横断面呈圆形，侧视呈棍棒状，如鳗鲡、黄鳝等属此种类型。图示黄鳝即为圆筒形体型。152第九章仿动物水中游动的机械及设计二、鱼类骨骼结构与机构简图第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼的外骨骼包括鳞甲、鳍条和棘刺等；内骨骼包括头骨、脊柱和附肢骨骼。脊柱由体椎和尾椎两种脊椎骨组成。体椎附有肋骨，尾椎无肋骨。每个脊椎的椎体前后两面都是凹形的，故称之为双凹椎体，这是鱼类所特有的骨骼结构。附肢骨骼是指支持鱼鳍的骨骼。支持背鳍、臀鳍和尾鳍的骨骼是不成对的奇鳍骨骼；支持胸鳍和腹鳍的骨骼为成对的偶鳍骨骼。153第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析图中背鳍、臀鳍和尾鳍都是一个，而且是单自由度的转动构件，二个胸鳍和腹鳍都是2个单自由度的运动副组合构件，满足胸鳍、腹鳍向外和前后方向的划水动作。脊椎骨关节也用转动副代替，工程设计中，一般小于10个。采用3～6个骨关节的居多。根据鱼类的骨骼结构可画出对应机构简图该鱼类的机构简图具有通用性154第九章仿动物水中游动的机械及设计鲸豚类的机构简图第三节仿生机械鱼的设计与分析鲸类、海豚类动物的脊椎骨与鱼类有些差别，但基本组成很相近。图示为海豚的骨骼结构图。155第九章仿动物水中游动的机械及设计二、总体设计第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼类游动时，身体摆动部分主要依靠身体的后三分之一的摆动，所以仿生机器鱼的骨关节一般小于6个关节，不超过四个关节。每个关节处安置一个舵机，头部安装电池，视觉传感器以及控制电路，无线接收与发射装置等，外部包装减摩材料。总体设计的原理图如图所示。156第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析各种仿生机器鱼的游动机构基本相同，但鳍的数量却相差很大。其原因是大都省略器平衡作用的背鳍、腹鳍和臀鳍，这是为了节省空间和减轻重量，仅保留非常必要的胸鳍和尾鳍。但是形象逼真、性能良好的仿生机器鱼还是具有全部鱼鳍的。图示为几种典型的仿生机械鱼结构示意图，157第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析典型仿生机械鱼的结构示意图。158第九章仿动物水中游动的机械及设计典型仿生机械鱼的结构示意图。第三节仿生机械鱼的设计与分析159第九章仿动物水中游动的机械及设计外形图第三节仿生机械鱼的设计与分析摆尾结构图160第九章仿动物水中游动的机械及设计典型仿生机械鱼的内部结构第三节仿生机械鱼的设计与分析161第九章仿动物水中游动的机械及设计仿生机器鱼游动图第三节仿生机械鱼的设计与分析162第九章仿动物水中游动的机械及设计四、鱼的摆尾游动方程第三节仿生机械鱼的设计与分析

b:尾鳍竖直方向的最大高度，也称展长

bbb

163第九章仿动物水中游动的机械及设计2、尾鳍摆动推进力方程第三节仿生机械鱼的设计与分析1997年，B．Ahlbom通过人工尾鳍推进装置试验研究得出，鳍部的推力F的方程为：k:液体的固有常数，对于水，k=40ρ：水密度h:尾鳍浸入水中高度A:鱼鳍摆动幅度f:鱼鳍摆动频率164第九章仿动物水中游动的机械及设计3、鱼体的水中阻力方程第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼在游动过程中受到的阻力主要有鱼体表面和水的摩擦力，鱼的形体阻力，以及鱼鳍产生的涡流阻力。把一个与鱼体等价的长形物体在水中拖动，使长形物体与鱼体的雷诺数相同，这样鱼体在前进中受到的阻力等价于被拖动的物体在流体中受到的阻力。流体中的细长体受到的阻力与流体密度成正比与流体流动的速度的平方成正比，与过水面积成正比。即：165第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析

166第九章仿动物水中游动的机械及设计4、尾鳍摆动角速度第三节仿生机械鱼的设计与分析尾鳍近似按照正弦规律摆动，最大摆动幅角为，摆动频率为f。尾鳍摆动角；摆动角速度：摆动角加速度尾鳍在极限位置时，速度为零，加速度达到最大值；中间位置时，速度最大，加速

度为零。167第九章仿动物水中游动的机械及设计5、摆尾关节电机扭矩的计算第三节仿生机械鱼的设计与分析质心点的位移为对时间球导数，可求出质心速度。速度达到最大值，此时的最大速度为：当

最大水阻力由水阻力公式，168第九章仿动物水中游动的机械及设计则关节电机的驱动力矩为：第三节仿生机械鱼的设计与分析可求解最大水阻力当前进169第九章仿动物水中游动的机械及设计6、鱼体波动方程第三节仿生机械鱼的设计与分析推进运动包含鱼体的波动和尾鳍的摆动两部分。鱼类运动时鱼体主干部分波幅很小，明显的波动主要集中在身体后1/3部分，鱼体波特征为一波幅逐渐加大，由头部至尾鳍传播的行波。在尾鳍与身体连接的狭窄区域(尾柄)达到最大值，特别明显的侧向位移仅仅发生在尾鳍及尾柄部分。在机器鱼游动过程中鱼体的头部不产生波动，但不是静止不动，而是做微小幅度的摆动，对推进运动起到平衡作用。170第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析坐标原点尾鳍鱼体波鱼体波可以通过波幅包络线与正弦曲线的合成来进行数学描述：x：X轴坐标值；：身体横向位移（波幅),最大波幅为第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析ω：身体波频率，K：身体波波数，

，λ：身体波波长)；：线性波幅包络线系数；：二次波幅包络线系数；

当鱼体的前部刚度很大，身体波幅限制在身体的后1/3部分，并且在末端达到最大值。所以在设计中不需要复杂机构来产生足够的柔韧性来模拟鱼体的多个鱼体波。172第九章仿动物水中游动的机械及设计7、鱼鳍摆动攻角的选择：第三节仿生机械鱼的设计与分析鱼类主要通过尾部脱卸出来的涡环或涡圈产生推进力，普通鱼类尾部运动轨迹如图所示，其中有两个重要的角度参数：攻角α和角度ψ。角度ψ指尾鳍运动轨迹与鱼类整体游动轨迹之间的夹角。173第九章仿动物水中游动的机械及设计第三节仿生机械鱼的设计与分析

174第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析第四节仿生机械水母的设计与分析一、水母的基本结构水母可以分为三大部分：圆伞形或钟状的身体，触器和口腕。水母通过内伞腔体产生收缩运动，由垂管（口）排出腔体内的水，从而向后喷射出水流来使水母向前推进。水母在舒张过程中由口中吸水，经由辅管、环管到达内伞腔，从而完成吸水动作，准备进行下一次的喷水推进。通过这种喷水推进的方法，水母便能向相反的方向游动。水母的触手可以捕食、改变运动方向。175第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析图示为仿生水母整体的四分之一剖视图和横切面图；钟状体结构即外伞，包覆和保护着水母内部的其他结构；而内伞腔体在水母的运动过程中充满水，排水产生的体积变化是水母的主要推进方式。176第九章仿动物水中游动的机械及设计二、水母机构设计第四节仿生机械水母的设计与分析1、水母主体机构的设计水母主体机构指其运动推进系统。在仿生机械水母的设计中，经常采用曲柄滑块机构作为仿生水母的主体运动机构，这是受到雨伞机构的启发。177第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析在仿生机械水母的设计中，也经常采用曲柄滑块机构和四杆机构的组合，作为仿生水母的主体运动机构。178第九章仿动物水中游动的机械及设计2、水母触手机构的设计第四节仿生机械水母的设计与分析水母的触手是水母的重要组成部分，可以捕食，帮助水母改变游动方向，分布在触手上的传感系统可以感知水流、波浪，甚至能预知天气变化。图示水母触手机构中，ABCD为滑块机构，DGFE为铰链四杆机构，级杆组HIB连接到构件FG和构件BC上。其自由度为：第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析该触手机构简图的对应的结构图如下A固定硅胶孔JIHFGDECB180第九章仿动物水中游动的机械及设计第四节仿生机械水母的设计与分析水母触手很多，为简化触手机构的自由度和控制，常用一个端面凸轮控制多个触手。端面凸轮驱动的直动滚子从动件就是触手机构的主动件。181第九章仿动物水中游动的机械及设计水母触手机构的三维视图如下：第四节仿生机械水母的设计与分析182第九章仿动物水中游动的机械及设计一、墨鱼的结构：第五节仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼的身体可分为3部分：头、足和躯干。头呈球形，位于身体前端，口位于头部顶端。足已经进化为腕和漏斗；一般有5对腕，各腕内侧带有4行柄状吸盘，其中一对腕特别长，称为触腕，用于捕食。第五节仿生机械墨鱼的设计与分析头足（腕）躯干183第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼的生态学方位是有口的一方为前方，躯干为后方。漏斗位于头的腹侧，用于喷射海水之用。其腹面两侧各有一椭圆形的软骨凹陷，称闭锁槽，与外套膜腹侧左右的闭锁突相吻合，称为闭锁器，可控制外套膜孔的开闭，见图所示。漏斗前端呈筒状喷嘴，露在外套膜外，喷嘴内有舌瓣，可防止海水逆流。184第九章仿动物水中游动的机械及设计第五节仿生机械墨鱼的设计与分析墨鱼是依靠高效的喷射推进和高效率的鳍波动推进的复合方式来实现游动。可以实现快速地向前或者向后游动，而且可以瞬时改变游动方向。墨鱼的喷射推进过程可分为充水和喷射两个主要的阶段充水过程：漏斗内的舌瓣闭合，外套膜与漏斗连接处的闭锁器打开，外套膜扩张，利用外套膜腔内的负压将海水从外套膜孔口处吸入，将外套膜腔充满。二、墨鱼的游动机理分析：185第九