1、全国大学生机械产品数字化设计大赛作品说明书仿生螳螂机器人作者： 李强 林水杉 刘希福学校： 辽宁工程技术大学指导教师：一、作品背景随着科技的发展,机器人应用越来越广泛。仿生机器人作为机器人家族中的重要成员，具有高度灵活性和柔性，还具有高度的易复制性，这就决定了仿生机器人在21世纪必将出现更多的种类，仿生机器人也将得到更深入的应用。生物机器人即活体生物的人工控制，是生物学、信息学、测控技术、微机电系统技术高度发展并且相互结合的产物。世界各国早已开展利用动物作战的研究。如训练狗钻入敌方要地将其炸毁，或利用海豚侦察潜艇等。现在更多的国家都在研究将微型传感器安装到小动物的身上，使其进入人类无法到达的地
2、方。针对与自然界的螳螂所特有的能力，我们团队对设计了一款仿生螳螂机器人。二、作品特点1、高仿真螳螂，集聚螳螂的走、跳、爬、抓取特点。2、为使机器人更好的适应环境并能更长久的工作，我们设计了两套供电系统，一为太阳能翅膀，二为腹部的铅蓄电池。3、本机器人能够以四足和六足行进，加上多节的机械机构，大大提高了仿生螳螂越障能力。4、本机器人内置自动平衡系统，确保机器人在行走及爬行时的稳定性。5、可实现远程控制。6、360视觉检测。7、可进行爬杆，以完成高空作业。三、作品结构本仿生螳螂器人由主体、地面移动系统、机械截割臂、供电系统、自动平衡系统和控制系统六大部分组成。我们团队根据螳螂的运动结构及特点进行精
3、心设计，其三维的整体架构如图1所示：图1 仿生螳螂的架构图图2 仿生螳螂的分解图左前臂右前臂左后足右后足左前足右前足触须供电装置颈部自动调解重心装置太阳能电池板导航装置切割装着移动装置切割破障装置储电装置电池4、作品工作原理1、地面移动系统本仿生螳螂机器人的地面移动系统为四足行进控制。机器人腿部为连续转动式腿机构，如图3所示。其腿部结构尺寸为：髋关节长度L1=120mm;大腿关节长度L2=160mm;小腿关节长度L3=220mm。其中每一部分都可以一定角度转动或者摆动，髋关节沿着自身轴心转动，大腿关节和小腿关节分别绕O1、O2转动。初始状态大腿关节轴心沿着x方向，小腿关节平行于y方向垂直于x方
4、向。 图3 机器人腿部为连续转动式腿机构通过对步行机器人进行稳定性分析，选择合理的摆动腿顺序，最终采用如图 4 所示的步态，即初始状态 4 足处于站立状态，如图 4 所示；接着后腿 1 和前腿 2 向前跃进，这个过程中髋关节转动，大腿关节绕 O1 小幅度转动，小腿关节绕 O2 向外转动，其余两腿保持站立状态;当后腿 1 和前腿 2 跃进站稳后，前腿 1 和后腿 2 开始跃进，如图 4(c)所示，如此往复向前运动。 图4 机器人步态分析图 当遇到更为复杂的路面时，可以放下双爪，这样可实现6足行走，其中右爪，左前足，右后足为A组；左爪，右前足，左后足，为B组。两组足交替前行，这样不但加快了行进速度
5、，还增加了行进的稳定性。其三维六足行走如图5所示：图5 六足行走姿态图B 组A 组2、平衡系统图6 平衡系统示意图（一）图7 平衡系统示意图（二）自平衡系统可使机体在动态行走中时时平衡，通过连杆机构平衡系统示意图中，此装置为本机器人的平衡系统的组要部分。机体可在复杂的行走环境下通过调节配重块的滑移，进而达到平衡机体，保持机体的平稳工作。当前足向前迈进或后退时，推动杆一向后移动，杆一杆二铰链，进而带动配重移动，使重心在行走的动态中保持平衡。支点配重块前足杆一杆二3、机械截割臂图8 机械截割臂工作原理图割臂共有4个自由度，由4部分组成，通过控制能实现螳螂所特有的攻击时的状态，同时机械截割臂可以实现
6、物品的搬运，对物体进行截割，当其与头部配合时，是一个完美的操作平台。4、供电系统图9 一款太阳能电池板本仿生螳螂机器人共采用2块太阳能电池板为机体供应能量，两块太阳能电池板利用四杆机构翻转到机体的两侧，由于使用了四杆机构，这两块电池板可做213 度翻转，可以随着太阳的运动调整这两块太阳能电池板的姿态，便于更好的吸收太阳能。图10 高倍率航模电池机体另有一组高倍率航模电池安装与腹部，保证了在没有充足阳光时，机体依然可以正常工作。当机体进入狭小的空间内时，太阳能电池板会收起，此时机体的能量供应就由高倍率航模电池供给。实现能源的充分利用。5、导航系统本机器人的头部装有两个微型摄像头，每个摄像头都可以
7、360度旋转，这样保证了对周围信息的有效捕捉，其触须为两个天线，用于数据的接收与传输，可实现远程控制。内部藏有机械嘴，用于工作。6，电机控制系统五、主要创新点1、本仿生螳螂机器人具有更强的越障性能。四足和六足行进、多节的设计更利于机器人在复杂的环境下工作。2、本机器人配有自动平衡系统，根据不同的行走姿态，自动平衡系统可实时调整机器人自身的重心位置，确保机器人工作时的稳定性。3、本机器人的太阳能电池板共2块，向两边划开，能够充分收集太阳能，并能够收起，同时机体配备有蓄电池组，保证了机器人的长久运行。4、螳螂机器人可以四足站立，两个镰刀形的机器臂与头可搭建工作平台。5、障碍清理，巨大的手臂可以扒开一定重量的物体，使行进更加流畅。6、强悍的手臂及四肢亦可以进行一定的攀爬，如爬杆、绳索等，进而可代替工人进行高空作业。7、360的视觉监视，大范围的取景，可以很好的观察四周的环境。六、技术推广应用价值1、高仿真螳螂机器人玩具将本机器人按合理比例缩小，采用塑料主要配件，可以制作成一款生动形象的高仿真螳螂机器人玩具。2、探测机器人由于其具有强大的越障功能，及其远程控制的功能，可在具有放射性及对人体有辐射的地区惊醒勘探，能够在灾后进行探测，收集信息等功能。3、隧道清理由于螳螂的爪子的强劲和脚步键稳，并在其尾部携有机械钻割工具，使其可在隧道中搬运或破碎一定大小的障碍物，使隧道畅通。
