一种基于空间连杆机构的仿生海龟模型设计_韩校粉.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期一种基于空间连杆机构的仿生海龟模型设计韩校粉，孙立明，赫万恒（中国人民解放军陆军工程大学 石家庄校区，石家庄 050003）图1基于空间连杆机构的仿生海龟工作流程设计扑翼机构运动，海龟按要求行进带动空间连杆机构运动控制电动机运动遥控器和接收器工作检测反馈装置发信号对海底情况进行检测和反馈0引言针对海洋敌对势力入侵问题，拟采用仿生学原理，设计一种仿生海龟，深入到海底实现无人侦测等功能、有效监测敌情，从而防御敌对国家从海上打击和入侵，维护中国海洋权益。海龟是一种海洋生物，主要利用前肢扑翼上下挥拍的运动，推进整个身体在水里灵活游动,从生物学角度来看，融合了动物飞行和游动两种运动1，具有噪声低、灵活性好与涡流利用率高的突出特点2。本文通过文献查询，对海龟的扑翼运动机理进行分析,获取海龟扑翼在游动过程中的运动规律,得到其运动曲线图谱，根据连杆机构中连杆曲线的多样性，设计仿生海龟单只扑翼的机构运动方案,并以此为基础进行仿生海龟的设计，实现海龟的自由游动，在军事上，配以监测设备用于监测敌情，便于进行战略部署。1设计思路及技术路线根据对海龟扑翼的运动分析，基于机械原理课程等基础知识，拟设计一种空间连杆机构，模仿海龟扑翼的运动，进而实现仿生海龟的自由游动。工作时，首先，利用监测装置监测周围环境，并反馈给指挥中心；其次，控制装置发出指令，接收器接受，从而控制电动机的运动；然后，电动机作为扑翼机构的动力源，带动扑翼机构进行转动和摆动，从而使仿生海龟按要求行进；最后，检测装置对海底的情况进行检测并及时反馈给控制中心。整个工作过程构成一个闭环系统，图1所示为设计的仿生海龟工作流程图,设计时，在理论研究的基础上，利用慧鱼构件搭建原理模型，经过调研、分析、设计、制作、检验等步骤，制作出基于空间连杆机构的仿生海龟模型。2方案设计2.1整体方案设计设计的整个装置可模拟仿生海龟的扑翼运动，实现海龟在海里的自由游动，属于仿生机械学的研究范畴。整个设备采用模块组合式结构，主要由底盘及框架、传动装置、扑翼机构、检测及控制装置4部分组成。底盘及框架主摘要：针对海洋敌对势力入侵问题，根据海龟扑翼运动机理，设计一种基于空间连杆机构的海龟扑翼仿生机构，并以此为主体，构思仿生海龟模型，仿生海龟模型主要由底盘及框架、扑翼机构、传动机构、监测及控制装置4部分组成，利用慧鱼创意组件搭建了原理模型。实践表明，空间连杆机构中的输出构件可实现转动和摆动两种运动，初步模拟海龟扑翼的动作，实现仿生海龟的自由游动。在原理上，该设备配以红外传感器、摄像头等装置，可以实现海上监测敌情、打击敌方有生力量等功能，维护海洋和平。关键词：扑翼机构；空间连杆机构；仿生海龟；传感器中图分类号:TH 122文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08001103Design of Bionic Turtle Model Based on Spatial Linkage MechanismHAN Xiaofen，SUN Liming，HE Wanheng(ShijiazhuangCampus,ArmyEngineeringUniversityofPLA,Shijiazhuang050003,China)Abstract:Aiming at the invasion of hostile forces in the sea,according to the mechanism of turtle flapping wingmovement,a bionic mechanism of turtle flapping wing based on spatial linkage mechanism is designed,and based on this,a bionic turtle model is conceived.The bionic turtle model is mainly composed of four parts:chassis and frame,flappingwing mechanism,transmission mechanism,monitoring and control device,the principle model is built by using the creativecomponents of Fischertechnik.The practice shows that the output component of the spatial linkage mechanism can realizeboth rotation and swing motions.The action of the turtle flapping its wings is preliminarily simulated,and the freeswimming of the bionic turtle is realized.The equipment is equipped with infrared sensors,cameras and other devices,which can theoretically realize the functions of detecting the enemys situation at sea,attacking the enemys effectiveforces to maintain marine peace.Keywords:flapping wing mechanism;spatial linkage mechanism;bionic turtle;sensor基金项目：陆军工程大学基础前沿科技创新项目（校教 202138号）11机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：要实现对各个零部件的支撑，传动装置将电动机的运动减速并分配至两个扑翼机构，扑翼机构通过运动的转换和传递实现海龟扑翼的运动轨迹，检测及控制装置用于检测周围情况并实现对扑翼机构运动的控制。整个机构除翼片运动机构外，其他部分均可置于一密闭橡胶壳体内，在壳体和翼片运动机构的连接处，利用橡胶的韧性和可弯曲性实现翼片运动机构的运动。利用慧鱼创意组合模型中的零件搭建的整体结构如图2所示。慧鱼创意组合模型是一种工程积木，用以展示机械设计的过程,慧鱼零件可以任意连接组合，实现设计者的设计意图。2.2底盘及框架的设计与实现基于空间连杆机构设计的扑翼机构，目前只是在原理上能够支撑整个装置的质量，模拟海龟的运行，在实验室借助底盘和主体框架的支撑模拟其运行情况（如图3），目前底盘采用轻质泡沫，以增加游行的稳定性；主体框架主要实现对各部分的有效支撑，选取质量较轻的带孔杆件以降低整机质量。2.3扑翼机构的设计与实现1）海龟行进机理。根据文献查阅结果可知，一般的海龟在深水游动时，通过不断改变扑翼前缘的姿态来调节击水攻角，从而利用水流产生的反作用力实现前进运动。海龟前肢扑翼运动状态变化如图3所示3，共有两个基本运动，理论上可以抽象简化为二自由度运动模型，其中：第一运动是绕肩轴线的旋转，可简称为“位旋”；第二运动是绕肩轴线垂直线的旋转，可简称为“拍旋”，“拍旋”既有自身的旋转运动，又随“位旋”的运动而改变方位，类似于行星的运动，既有“自转”，又有“公转”。运动轨迹曲线大致由4部分组成，分别是下拍运动、俯旋运动、上挥运动和仰旋运动产生的4段曲线，为第一运动和第二运动合成的结果，整个运动实现了对海龟姿态的控制，使其能够灵活游动3-4。2）仿生海龟扑翼机构的设计。与平面连杆机构相比，空间连杆机构中各个构件的运动不在同一个平面上，而是空间运动关系，可以实现刚体引导、再现函数和再现轨迹的要求5，空间连杆机构中连杆的曲线具有多样性，利用连杆曲线的复杂性可以进行海龟扑翼仿生机构设计。因此基于上述海龟扑翼的运动分析，从功能仿生角度和运动仿生角度出发，基于空间连杆机构，设计了仿生海龟扑翼机构模型（如图4），系统驱动齿轮、机架、主动杆、连杆、从动杆、翼片支撑杆及翼片等构件组成。图5（b）所示为海龟扑翼主体机构运动简图，采用空间四杆机构，其中，主动杆1为动力输入端，从动杆2为最终的输出构件，主动杆1与机架4形成转动副A,从动杆2与机架4组成转动副D，且两个转动副位于同一轴线上；主动杆1与从动杆3分别与主体连杆2组成转动副B与C，且两个转动副位于同一轴线上；这4个转动副的轴线汇交于连杆2的中心点O，由于A与D位于同一轴线上，即两者之间的夹角为0，所以，根据连杆机构的性质，主动杆和从动杆的角速比恒等于1。翼片运动机构的简图如图6（b）所示，图5中连杆2的中心点的运动为翼片机构的输入运动，通过转动副E带动连杆5运动，连杆5与滑块3形成移动副F，连杆2与连架杆1、滑块3、连架杆4分别形成转动副B、F、C，连 架 杆 1 与 机架、连杆4与机架分别形成转动副A和D，其中，连架杆1与连架杆4平行且相等，翼片固连于连杆5上，随连杆5运动。结合图4、图5、图6，系统工作时，电动机输出动力，通过减速机构使驱动齿轮转1.底盘及框架 2.扑翼机构 3.传动机构4.监测及控制装置图2基于空间连杆机构的海龟扑翼仿生机构模型示意图3214图3海龟扑翼运动（a）扑翼末端轨迹（b）扑翼运动状态上挥下拍仰旋推进方向俯旋图4单个海龟扑翼仿生机构主动杆翼片支撑杆翼片驱动齿轮机架从动杆连杆图5海龟扑翼空间连杆机构主体模型及简图（a）海龟扑翼主体模型图（b）海龟扑翼主体机构运动简图1.主动杆 2.从动杆 3.主体连杆4.机架B1A32DC4图6海龟扑翼仿生机构翼片运动机构模型及简图1.连架杆 2.连杆 3.滑块 4.连架杆 5.连杆（a）翼片运动机构模型（b）翼片运动机构简图ABCDEF1234512机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期（上接第10页）J.Materials,2021,14(14).14WANG Z,OATES T.Imaging Time-series to Improve Classification and ImputationC/Twenty-Fourth International Joint Conference on Artificial Intelligence.2015.15朱翔,谢峰,李楠.基于长短期记忆神经网络的刀具磨损状态监测J.制造技术与机床,2019(10):112-117.（编辑邵明涛）作者简介：孙皓章（1994），男，硕士研究生，研究方向为过程检测技术及自动化装置；孔繁星（1975），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为超精密加工与检测技术。通信作者：孔繁星，。收稿日期：2022-09-22动，带动空间连杆机构中的主动杆定轴转动，从而使图5中的主体连杆实现空间运动。图6中的连杆5与主体连杆铰接于E点，利用连杆中点的运动作为翼片运动机构的输入，带动连杆5运转，翼片结构通过翼片支撑杆固联于机架上。利用此空间连杆机构，可实现翼片转动（位旋）和摆动（拍旋）两种运动形式，摆动可以推进整体设备向前运行，转动可以克服扑翼与水流之间存在的阻力，提高行进效率。基于空间连杆机构设计的仿生设备可采用两个电动机分别控制两个扑翼的运动，根据监测信号来控制电动机的转速，利用转速的不同实现海龟的转向，使其按要求行进。2.4传动机构的设计与实现如图7所示，在慧鱼模型中，传动机构采用两对相同的齿轮机构将电动机转动传至空间连杆机构带动扑翼运动。在工作的时候，利用发射器控制电动机的转速和正反转，进而改变仿生海龟的运动速度和转向。2.5监测及控制装置的实现设备上安装红外传感器、摄像头等装置实现对敌情及海底情况的监测和反馈，控制部分主要包括遥控发射器和接收器（如图8），通过控制两个电动机的转动实现对扑翼前进、转向等运动的控制。通过发射器控制可以使仿生海龟的运动更加自主，实现转向和运动速度的改变，即接通电源，打开接收器和发射器开关，实现互连，通过操作发射器上的两个操纵杆，以及控制两个操纵杆的角度，使电动机的运动速度改变和实现正反转，进而改变扑翼的运动速度和运动方向，同时可以控制两个扑翼的运动速度和运动方向，使其不一致，进而改变仿生海龟的转向。2.6创新点通过查阅资料，与已有的扑翼机构进行对比，该设计的创新点较为明显，首先表现为扑翼机构运动组合创新上，巧妙设计空间连杆机构，提供一个动力源，即可使输出构件实现转动和摆动两种运动，从原理上模拟仿生海龟扑翼的两自由度的运动；然后是功能作用上的创新，设计的仿生海龟结构简单，运动可靠，配以红外传感器、摄像头等装置，可以实现海上监测敌情、打击敌方有生力量等功能，维护海洋和平。3结语在查阅大量资料的基础上，对海龟的运动机理进行分析，总结海龟扑翼的运动轨迹，基于空间连杆机构中连杆运动轨迹的多样性，构思出仿生海龟扑翼运动简图，并利用慧鱼创意模型搭建模型，整个机构可模拟仿生海龟的扑翼运动，配以其他机构，实现仿生海龟在海里的自由游动。该设计目前尚处于研究初期，只是通过观察法得到了海龟扑翼的运动轨迹，下一步将建立数学模型和实物模型，进行机构的运动学仿真，计算该机构的运动轨迹、姿态和角速度等运动参数6，并进行机构的优化设计，该研究对于仿生海龟装置的设计和分析有一定的借鉴意义。军事上，在设备上加装摄像头可监测敌情，便于实施战略部署；利用仿海龟形状，安装炸弹可打击敌方有生力量；此外，可辅助维护对外贸易航运通道，打击海上恐怖主义，改善海洋环境，维护可持续发展。参考文献1张铭钧,刘晓白,徐建安,等.海龟柔性前肢仿生推进研究J.机器人,2011,33(1):229-236.2朱崎峰,宋保维,丁浩.一种仿海龟扑翼推进机构设计J.机械设计,2011,28(5):30-33.3储定慧,张铭钩,刘晓白.海龟扑翼运动模型及仿生推进机构研究J.哈尔滨工程大学学报,2008,29(3):285-289.4常宗瑜,王吉亮,杨晓光,等.基于连杆机构综合的水下仿生推进装置设计J.中国海洋大学学报,2018,48(11):119-124.5张策.机械原理与机械设计M.北京:机械工业出版社,2021:162-165.（编辑邵明涛）作者简介：韩校粉（1982）,女,硕士,讲师,研究方向为机械设计、现代设计理论与方法等。收稿日期：2022-08-01图7动力传递路线1.主动齿轮 2.从动齿轮 3.电动机213图8控制装置1.发射器 2.电源 3.电动机 4.接收器432113