基本信息
- 項目名稱：
- 仿生機械尺蠖
- 小類：
- 機械與控制
- 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特，靠身體的弓背——前伸爬行。本作品采用可編程模塊化結構設計，首次模擬了尺蠖獨特的爬行步態(tài)，并對其步態(tài)首次進行了建模分析和數(shù)字仿真等研究。 通過樣機實測，得到了很好的爬行效果。越障和負債性能良好?？稍诙喾N復雜地形執(zhí)行各種任務。
- 詳細介紹：
- 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構而與眾不同，它既不同于蛇依靠肌肉的左右搖擺前進，也不同于蚯蚓依靠肌肉的縱向收縮伸展來前進，它是通過獨特的縱向弓背、延展來進行爬行。這種爬行與蛇和蚯蚓的運動形態(tài)相比，其最大優(yōu)點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，一曲一直運動，將身體與接觸面的滑動摩擦力轉化為靜摩擦力，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)勢的運動方式。 目前國內外仿生蛇、仿生魚等依靠肌肉左右搖擺獲得前進動力的仿生機器人已經(jīng)得到大量的充分的研究，但是在仿生尺蠖領域還比較薄弱，依靠弓背－延伸來爬行的運行狀態(tài)模擬還有很多研究工作需要深入開展。本作品的創(chuàng)新點在于設計了一種仿生機械尺蠖，模擬弓背－延伸的獨特爬行運動，設計了獨特的爬行步態(tài)，可以適應復雜地形。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)出相當大的優(yōu)勢，經(jīng)加載探測頭和定位器后，可以承擔偵查、探測、救援等工作。 該仿生機械尺蠖的設計方案，模擬尺蠖柔軟狹長的身體構造，采用可編程模塊化的關節(jié)狀設計。機械尺蠖由8個相同的關節(jié)串聯(lián)而成，我們用舵機模擬尺蠖的肌肉，每兩個關節(jié)構成一個肌肉單元，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、可任意調整任意一個肌肉單元收縮舒張程度，方便對尺蠖獨特的步態(tài)進行研究。整條尺蠖由單片機控制每個關節(jié)的弓背－延展動作，從而，機械尺蠖整體構成一個高冗余度的平面連桿機構，實現(xiàn)可編程的獨特的尺蠖爬行動作模擬。 作品設計并制造了一臺仿生度較高的機械尺蠖樣機，并開展了機械尺蠖運動步態(tài)建模分析、數(shù)字仿真、實際樣機運動步態(tài)測試工作。對三連桿波步態(tài)和多連桿波步態(tài)等對機械尺蠖運動速度的影響進行了仿真和實測數(shù)據(jù)比對，提出了優(yōu)化措施。 本項目的創(chuàng)新點在于： 1、首次實現(xiàn)尺蠖獨特的弓背延伸前行運動狀態(tài)模擬；2、尺蠖可編程弓背的模塊化關節(jié)結構設計；3、首次對機械尺蠖步態(tài)和前行速度關系進行研究。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 我們選擇做此作品的原因有三： 1、尺蠖這種弓背——前身的運動方式有著其自身獨特的優(yōu)勢。樣機在爬行過程中將腹部與接觸面的的滑動摩擦力轉化為靜摩擦力，提高了機械效率。另外這種運動方式還適用于各種復雜地形，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。 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)定性的關系，目前尚未有人進行研究，我們嘗試用舵機模擬尺蠖的肌肉，來找到最佳的爬行姿態(tài)。 3、目前市場上現(xiàn)有的仿生尺蠖機器人只有“隆昌國際機器人仿生尺蠖”和日本學習研究社的“仿生機械尺蠖”兩種。而這兩種機械尺蠖在形態(tài)上都與真實尺蠖柔軟狹長的體態(tài)相差很大，仿生程度不高。可以說目前市場上尚未有一臺高仿生程度的機械尺蠖。此項目必然有著廣闊的研究和應用前景。 本作品創(chuàng)新點及關鍵技術有四： 1、首次實現(xiàn)尺蠖獨特的弓背——前伸的動作模擬； 2、可編程模塊化關節(jié)機構設計； 3、首次對尺蠖爬行過程中肌肉關節(jié)拱起角度和爬行速度穩(wěn)定性的關系進行研究； 4、對機械尺蠖樣機進行了建模分析和數(shù)字仿真及樣機實測等工作。
科學性、先進性
- 設計了一種可重復模塊化的機械結構，這種結構具有的優(yōu)點有：加工裝配統(tǒng)一，適應性強，支持級聯(lián)拓展，魯棒性高，方便拆卸運輸?shù)鹊取? 對機械尺蠖的運動步態(tài)進行了數(shù)學建模分析分析，將機械尺蠖運動步態(tài)簡化為平面連桿機構的運動，對三連桿波的步態(tài)和多連桿波的步態(tài)進行了詳細的分析和對比，并在MATLAB下進行仿真，計算出了速度、位移等參數(shù)。通過數(shù)字仿真找到了機械尺蠖爬行過程中8個肌肉關節(jié)的最佳姿態(tài)角度。最后的實際樣機運動測試取得了很好的效果，將仿真結果與實際運動測量結果進行了對比，提出了優(yōu)化措施。
獲獎情況及鑒定結果
- 2011年4月在北京航空航天大學舉辦的第21屆“馮如杯大學生科技作品競賽”中獲得一等獎。
作品所處階段
- 作品已經(jīng)完成。目前正在進行后期完善。
技術轉讓方式
- 尚未進行技術轉讓。
作品可展示的形式
- 機械尺蠖樣機可進行現(xiàn)場演示、相關項目技術論文及資料。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 目前市場上依靠弓背前伸獲得前進動力的機械裝置的研究幾乎處于空白階段。本作品的全新的運動方式必然會帶來廣闊的研究價值和廣闊的市場應用前景。
同類課題研究水平概述
- 目前國內外仿生蛇、仿生魚等依靠肌肉左右搖擺獲得前進動力的仿生機器人已經(jīng)得到大量的充分的研究，但是在仿生尺蠖領域還比較薄弱，依靠弓背－延伸來爬行的運行狀態(tài)模擬還有很多研究工作需要深入開展。 目前市場上現(xiàn)有的仿生尺蠖機器人只有“隆昌國際機器人仿生尺蠖”和日本學習研究社的“仿生機械尺蠖”兩種。而這兩種機械尺蠖在形態(tài)上都與真實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械尺蠖。此項目必然有著廣闊的研究和應用前景。
