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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 仿生機(jī)械尺蠖
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 尺蠖又名“弓背蟲”，是一種柔軟的無脊椎爬行動物，他的爬行方式非常獨(dú)特，靠身體的弓背——前伸爬行。本作品采用可編程模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首次模擬了尺蠖獨(dú)特的爬行步態(tài)，并對其步態(tài)首次進(jìn)行了建模分析和數(shù)字仿真等研究。 通過樣機(jī)實(shí)測，得到了很好的爬行效果。越障和負(fù)債性能良好?？稍诙喾N復(fù)雜地形執(zhí)行各種任務(wù)。
- 詳細(xì)介紹：
- 尺蠖，又名“弓背蟲”，是一種柔軟的無脊椎爬行動物。尺蠖的爬行動作因其特殊的身體結(jié)構(gòu)而與眾不同，它既不同于蛇依靠肌肉的左右搖擺前進(jìn)，也不同于蚯蚓依靠肌肉的縱向收縮伸展來前進(jìn)，它是通過獨(dú)特的縱向弓背、延展來進(jìn)行爬行。這種爬行與蛇和蚯蚓的運(yùn)動形態(tài)相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是與爬行表面的接觸面積小，尺蠖的頭尾長有吸盤和觸腳，通過吸盤和觸腳的抓力，一曲一直運(yùn)動，將身體與接觸面的滑動摩擦力轉(zhuǎn)化為靜摩擦力，提高了爬行效率。同時，弓背－延伸的爬行方式，也更加適用于復(fù)雜的地形，如狹窄的管道、粗礪的地面、不規(guī)則的壕溝，不平坦的廢墟等。這些都是比蛇和蚯蚓更具優(yōu)勢的運(yùn)動方式。 目前國內(nèi)外仿生蛇、仿生魚等依靠肌肉左右搖擺獲得前進(jìn)動力的仿生機(jī)器人已經(jīng)得到大量的充分的研究，但是在仿生尺蠖領(lǐng)域還比較薄弱，依靠弓背－延伸來爬行的運(yùn)行狀態(tài)模擬還有很多研究工作需要深入開展。本作品的創(chuàng)新點(diǎn)在于設(shè)計(jì)了一種仿生機(jī)械尺蠖，模擬弓背－延伸的獨(dú)特爬行運(yùn)動，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的爬行步態(tài)，可以適應(yīng)復(fù)雜地形。在一些具有特殊地形（如狹窄的管道，壕溝，廢墟）的路面上能體現(xiàn)出相當(dāng)大的優(yōu)勢，經(jīng)加載探測頭和定位器后，可以承擔(dān)偵查、探測、救援等工作。 該仿生機(jī)械尺蠖的設(shè)計(jì)方案，模擬尺蠖柔軟狹長的身體構(gòu)造，采用可編程模塊化的關(guān)節(jié)狀設(shè)計(jì)。機(jī)械尺蠖由8個相同的關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，我們用舵機(jī)模擬尺蠖的肌肉，每兩個關(guān)節(jié)構(gòu)成一個肌肉單元，每個肌肉單元具有縱向單方向的自由度。這樣做的好處是：1、模擬了尺蠖柔軟狹長的體態(tài)；2、可任意調(diào)整任意一個肌肉單元收縮舒張程度，方便對尺蠖獨(dú)特的步態(tài)進(jìn)行研究。整條尺蠖由單片機(jī)控制每個關(guān)節(jié)的弓背－延展動作，從而，機(jī)械尺蠖整體構(gòu)成一個高冗余度的平面連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可編程的獨(dú)特的尺蠖爬行動作模擬。 作品設(shè)計(jì)并制造了一臺仿生度較高的機(jī)械尺蠖樣機(jī)，并開展了機(jī)械尺蠖運(yùn)動步態(tài)建模分析、數(shù)字仿真、實(shí)際樣機(jī)運(yùn)動步態(tài)測試工作。對三連桿波步態(tài)和多連桿波步態(tài)等對機(jī)械尺蠖運(yùn)動速度的影響進(jìn)行了仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)比對，提出了優(yōu)化措施。 本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)在于： 1、首次實(shí)現(xiàn)尺蠖獨(dú)特的弓背延伸前行運(yùn)動狀態(tài)模擬；2、尺蠖可編程弓背的模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；3、首次對機(jī)械尺蠖步態(tài)和前行速度關(guān)系進(jìn)行研究。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 我們選擇做此作品的原因有三： 1、尺蠖這種弓背——前身的運(yùn)動方式有著其自身獨(dú)特的優(yōu)勢。樣機(jī)在爬行過程中將腹部與接觸面的的滑動摩擦力轉(zhuǎn)化為靜摩擦力，提高了機(jī)械效率。另外這種運(yùn)動方式還適用于各種復(fù)雜地形，便于越障。這些都是傳統(tǒng)的蛇及蚯蚓爬行方式所不具備的優(yōu)點(diǎn)。 2、尺蠖在爬行過程中背部肌肉拱起角度和爬行速度及穩(wěn)定性的關(guān)系，目前尚未有人進(jìn)行研究，我們嘗試用舵機(jī)模擬尺蠖的肌肉，來找到最佳的爬行姿態(tài)。 3、目前市場上現(xiàn)有的仿生尺蠖機(jī)器人只有“隆昌國際機(jī)器人仿生尺蠖”和日本學(xué)習(xí)研究社的“仿生機(jī)械尺蠖”兩種。而這兩種機(jī)械尺蠖在形態(tài)上都與真實(shí)尺蠖柔軟狹長的體態(tài)相差很大，仿生程度不高?？梢哉f目前市場上尚未有一臺高仿生程度的機(jī)械尺蠖。此項(xiàng)目必然有著廣闊的研究和應(yīng)用前景。 本作品創(chuàng)新點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)有四： 1、首次實(shí)現(xiàn)尺蠖獨(dú)特的弓背——前伸的動作模擬； 2、可編程模塊化關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)； 3、首次對尺蠖爬行過程中肌肉關(guān)節(jié)拱起角度和爬行速度穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行研究； 4、對機(jī)械尺蠖樣機(jī)進(jìn)行了建模分析和數(shù)字仿真及樣機(jī)實(shí)測等工作。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)模塊化的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)點(diǎn)有：加工裝配統(tǒng)一，適應(yīng)性強(qiáng)，支持級聯(lián)拓展，魯棒性高，方便拆卸運(yùn)輸?shù)鹊取? 對機(jī)械尺蠖的運(yùn)動步態(tài)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模分析分析，將機(jī)械尺蠖運(yùn)動步態(tài)簡化為平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，對三連桿波的步態(tài)和多連桿波的步態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對比，并在MATLAB下進(jìn)行仿真，計(jì)算出了速度、位移等參數(shù)。通過數(shù)字仿真找到了機(jī)械尺蠖爬行過程中8個肌肉關(guān)節(jié)的最佳姿態(tài)角度。最后的實(shí)際樣機(jī)運(yùn)動測試取得了很好的效果，將仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)動測量結(jié)果進(jìn)行了對比，提出了優(yōu)化措施。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年4月在北京航空航天大學(xué)舉辦的第21屆“馮如杯大學(xué)生科技作品競賽”中獲得一等獎。
作品所處階段
- 作品已經(jīng)完成。目前正在進(jìn)行后期完善。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 尚未進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 機(jī)械尺蠖樣機(jī)可進(jìn)行現(xiàn)場演示、相關(guān)項(xiàng)目技術(shù)論文及資料。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 目前市場上依靠弓背前伸獲得前進(jìn)動力的機(jī)械裝置的研究幾乎處于空白階段。本作品的全新的運(yùn)動方式必然會帶來廣闊的研究價值和廣闊的市場應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 目前國內(nèi)外仿生蛇、仿生魚等依靠肌肉左右搖擺獲得前進(jìn)動力的仿生機(jī)器人已經(jīng)得到大量的充分的研究，但是在仿生尺蠖領(lǐng)域還比較薄弱，依靠弓背－延伸來爬行的運(yùn)行狀態(tài)模擬還有很多研究工作需要深入開展。 目前市場上現(xiàn)有的仿生尺蠖機(jī)器人只有“隆昌國際機(jī)器人仿生尺蠖”和日本學(xué)習(xí)研究社的“仿生機(jī)械尺蠖”兩種。而這兩種機(jī)械尺蠖在形態(tài)上都與真實(shí)尺蠖柔軟狹長的體態(tài)相差很大，仿生程度不高?？梢哉f目前市場上尚未有一臺高仿生程度的機(jī)械尺蠖。此項(xiàng)目必然有著廣闊的研究和應(yīng)用前景。
