仿生機(jī)械蝎子設(shè)計(jì)說明書

仿生蝎子說明書 摘要本文通過對(duì)蝎子的足部結(jié)構(gòu)，尾部結(jié)構(gòu)等身體構(gòu)造以及運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一款依靠曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)械蝎子。其中設(shè)計(jì)制作的關(guān)鍵內(nèi)容包括：第一、在保障蝎子外形的基礎(chǔ)上，在蝎子身體內(nèi)部，設(shè)置腿部行走機(jī)構(gòu)、鉗部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和尾部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)、電池和變速器等多個(gè)裝置。第二、通過設(shè)計(jì)并制作曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和齒輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來分別模擬蝎子腿部運(yùn)動(dòng)以及尾部運(yùn)動(dòng)過程。通過Solidworks軟件繪制三維圖形，采用Matlab軟件來對(duì)本次設(shè)計(jì)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，并得到機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度圖像。進(jìn)一步佐證了機(jī)構(gòu)的可行性。在仿生的基礎(chǔ)之上，我們本次的設(shè)計(jì)理念針對(duì)發(fā)生災(zāi)難后如何及時(shí)高效的尋找廢墟中幸存者這個(gè)關(guān)鍵問題展開。聯(lián)系實(shí)際，通過尋找能夠自由穿梭于狹小空間的生物，最終我們選擇了常棲息于沙漠巖石之中的小型生物蝎子進(jìn)行研究。我們希望此仿生蝎子能有力解決災(zāi)后環(huán)境惡劣、行動(dòng)不便，人力救援無法深入現(xiàn)場的相關(guān)問題。讓更多被困災(zāi)難之中的人得以獲救，減少不必要的損失，提高災(zāi)難后的救援效率。從而以救援功能為跳板，使此款仿生機(jī)械蝎子也能在軍事，工業(yè)，地質(zhì)勘探甚至日常生活中發(fā)揮各種各樣的功能。完善該仿生機(jī)械蝎子，從而達(dá)到我們本次設(shè)計(jì)的最高目的。關(guān)鍵詞：仿生機(jī)械；蝎子；機(jī)器人目錄第一章緒論 1第二章設(shè)計(jì)目的及構(gòu)思 21.1仿生蝎子的設(shè)計(jì)目的 21.2蝎子運(yùn)動(dòng)分析 31.3東亞鉗蝎的步態(tài)周期分析 51.4分析結(jié)論 6第三章工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 62.1機(jī)械結(jié)構(gòu)簡介 62.2機(jī)械結(jié)構(gòu) 6第四章機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 94.1滑塊的位移、速度、加速度推導(dǎo) 104.2matlab程序代碼 114.3機(jī)構(gòu)位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)圖像 12第五章成本核算 14第六章主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 15第七章結(jié)論 15第八章作品外形圖片 16參考文獻(xiàn) 183/22緒論隨著生物科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，科技人員逐漸發(fā)現(xiàn)模仿自然界的生物可以有許多新的設(shè)計(jì)思路和解決技術(shù)難題的方法，因此仿生學(xué)便孕育而出了。作為一門獨(dú)立的學(xué)科，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。從生物學(xué)的角度來說，仿生學(xué)屬于“應(yīng)用生物學(xué)”的一個(gè)分支；從工程技術(shù)方面來看，仿生學(xué)根據(jù)對(duì)生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計(jì)和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在蜻蜓翅膀末端都有一塊比周圍略重一些的厚斑點(diǎn)，這就是防止翅膀顫抖的關(guān)鍵抗顫振結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們模仿此結(jié)構(gòu)改裝了機(jī)翼，從此解決了機(jī)翼顫抖的問題。在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，分別在機(jī)械工程領(lǐng)域、建筑工程領(lǐng)域、電子工程領(lǐng)域、控制領(lǐng)域等許多學(xué)科開展了仿生的研究，促進(jìn)了仿生學(xué)的迅速發(fā)展和與其他學(xué)科的交叉、滲透與融合，并形成了許多分支，仿生學(xué)已經(jīng)成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力和連接生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的橋梁。進(jìn)入21世紀(jì)后，仿生學(xué)取得了快速發(fā)展，并形成了許多分支，如仿仿生電子學(xué)、仿生機(jī)械學(xué)、等。其中，發(fā)展最迅速、影響力最大、應(yīng)用最廣泛的是仿生機(jī)械學(xué)。如仿生機(jī)器人已經(jīng)成為世人皆知的智能化仿生機(jī)械。因此我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)出了一款仿生機(jī)械蝎子。通過觀察蝎子的各種生理特征，我們從研究蝎子腿部運(yùn)動(dòng)出發(fā)，研究步態(tài)信息進(jìn)而得出正常情況下蝎子的步態(tài)周期特性和一個(gè)完整周期中蝎子的腿部角度變化，分析比較運(yùn)動(dòng)過程中蝎子腿部角度的變化，為仿生機(jī)械蝎子的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定下重要的基礎(chǔ)。主要用于進(jìn)行災(zāi)后的救援工作，其狹小的身軀能深入廢墟中去尋找傷員，甚至在核污染地區(qū)進(jìn)行勘探工作，避免人工救援，使災(zāi)后的重建工作效率不斷提高。本說明主要介紹了機(jī)械蝎子的工作內(nèi)容以及創(chuàng)新意義，通過機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造基礎(chǔ)解決其重要核心問題。把自己所學(xué)的專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去，做到活學(xué)活用不拘束于書本上的知識(shí)內(nèi)容，增強(qiáng)我們的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力。發(fā)揮出創(chuàng)新的真正意義。本次作品如下圖所示：圖1作品整體外觀設(shè)計(jì)目的及構(gòu)思2.1仿生蝎子的設(shè)計(jì)目的不論是地震、洪水、海嘯、泥石流這類自然災(zāi)害，還是火災(zāi)、交通事故、核電等人為事故，都在危害著人們的生命安全。平時(shí)自然需要注意預(yù)防，但當(dāng)災(zāi)難真的不幸發(fā)生時(shí)，能否及時(shí)的展開救援卻是我們必須面對(duì)的問題。傳統(tǒng)的應(yīng)急搶險(xiǎn)救援方式主要依賴人力，輔以各式專業(yè)裝備。但人力救援卻可能力不從心甚至鞭長莫及。例如洪災(zāi)發(fā)生時(shí)，僅靠人力需要花費(fèi)大力氣才能救助到湖中央的溺水者；地震、海嘯過后，如何及時(shí)高效的搜尋廢墟中的幸存者？由于災(zāi)后環(huán)境惡劣、行動(dòng)不便，人力救援可能無法深入現(xiàn)場，覆蓋面和及時(shí)性上也存在一定問題。另外一方面，災(zāi)害現(xiàn)場往往充滿危險(xiǎn)。例如福島核電站泄漏時(shí)，去現(xiàn)場搶險(xiǎn)救災(zāi)就要面對(duì)核輻射的危險(xiǎn)；相對(duì)更常見的火災(zāi)現(xiàn)場和地震現(xiàn)場救援更是需要小心突發(fā)的二次災(zāi)害，處置稍有不當(dāng)就可能給救援人員帶來嚴(yán)重的安全危險(xiǎn)?？梢姡瑐鹘y(tǒng)救援方式存在的不便主要有效率、及時(shí)性、以及對(duì)救援人員帶來的危險(xiǎn)和困難。這就給了仿生機(jī)械登場的空間。我們本次的設(shè)計(jì)理念在基于仿生這個(gè)主題之下，從以上觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)地震、海嘯之后，如何及時(shí)高效的尋找廢墟中幸存者這個(gè)關(guān)鍵問題展開。尋找能自由穿梭于狹小空間的生物，對(duì)其進(jìn)行仿生改造，最終我們選擇了日常棲息于沙漠巖石之中的小型生物蝎子進(jìn)行研究。同時(shí)，仿生機(jī)器人的研究領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。可以從仿生學(xué)的角度對(duì)人和動(dòng)物肢體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，使機(jī)器人具有類似生物運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)、也可以從生理學(xué)的角度對(duì)生物體的視覺、觸覺和聽覺系統(tǒng)進(jìn)行研究，并作出其物理模型，以便研制機(jī)器人的理想信息處理系統(tǒng)；還可以采用電子計(jì)算機(jī)，進(jìn)行機(jī)器人智能信息處理和肢體運(yùn)動(dòng)控制的研究等。綜合上所述，所以我們希望通過仿生機(jī)械蝎子這個(gè)作品，擴(kuò)充它在多方面，多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)其可用性的價(jià)值。除了運(yùn)用在救援方面之外，也可以投入到農(nóng)業(yè)，軍事，地質(zhì)探測等領(lǐng)域中去，之后對(duì)其進(jìn)行電控，信息技術(shù)等方面的改造，使本款仿生機(jī)械蝎子更具多元化，真正成為能適應(yīng)各種領(lǐng)域的多功能作品。2.2蝎子運(yùn)動(dòng)分析蝎子是動(dòng)物界節(jié)肢動(dòng)物門蛛形綱蝎目種類的統(tǒng)稱。目前，已知蝎子種類有6科，70屬，1000余種，世界各地均有分布。如埃及的五條紋蝎、美國南部的卡羅萊尼蝎、歐洲的意大利蝎、墨西哥蝎以及蘇夫斯蝎和中國的東亞鉗蝎，均屬世界著名的蝎子品種。我國的蝎子資源較為豐富，約有15種，產(chǎn)區(qū)分布較廣，如河北，河南，山東，山西，陜西，安徽等省均有分布，其中，野生蝎子產(chǎn)量最多的是河南、山東兩省。主要有東亞鉗蝎、東全蝎、山蝎、會(huì)全蝎這幾種蝎子品種。通過研究蝎子的運(yùn)動(dòng)情況，在眾多蝎子種類中，我們選取了彼得異蝎和東全蝎兩個(gè)蝎子品種，研究他們的運(yùn)動(dòng)情況。彼得異蝎屬于市場上常見的寵物蝎子，容易購買獲得其通體黑色，尾針成紅黑色，螯肢表面較為細(xì)長型而且表面較為光滑，螯肢表面幾乎無毛，毒量微小，彼得異蝎屬于兩爬類動(dòng)物，對(duì)濕度和溫度有較高的要求，喜歡潮濕的環(huán)境，不喜歡干燥。飼養(yǎng)時(shí)，在飼養(yǎng)盒底部鋪上椰土，并對(duì)飼養(yǎng)空間進(jìn)行噴水增濕處理。同時(shí)，彼得異蝎懼怕?lián)尮猓荒茉陉帥鎏庯曫B(yǎng)，并且晝伏夜出。在攻擊狀態(tài)時(shí)，蝎子的兩個(gè)鉗子會(huì)高高抬起，尾巴向前直立，尾針對(duì)準(zhǔn)攻擊目標(biāo)。在對(duì)蝎子停止?fàn)顟B(tài)下的觀察，蝎子靜息時(shí)，六條腿不會(huì)豎直接地，腳部靠前，形成一定斜度，整個(gè)腿部和腹部臥在地面之上。但是，在研究其運(yùn)動(dòng)情況過程中，發(fā)現(xiàn)彼得異蝎不愛活動(dòng)，用木棍對(duì)其挑逗迅速逃跑的情況不是很多，對(duì)研究造成了不小的阻礙。圖2彼得異蝎

基于彼得異蝎的不好動(dòng)，我們再次尋找了一些我小型好動(dòng)靈活蝎子，于是發(fā)現(xiàn)了一種市面上用于食用藥用的出產(chǎn)于我國本土的蝎子——東亞鉗蝎。東亞鉗蝎是我國分布最多的蝎子品種，這種蝎子也極易購買經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，我國所說的蝎子大部分都指東亞鉗蝎，東亞鉗蝎在農(nóng)村中飼養(yǎng)，常發(fā)揮它的藥用價(jià)值，是一種農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，通常不用做寵物飼養(yǎng)。東亞鉗蝎是一種蛛形綱節(jié)肢動(dòng)物，而非昆蟲本身是一種毒蟲，一般同類之間不會(huì)傳染疾病，也不會(huì)存在傳染人類疾病的情況。東亞鉗蝎雙鉗，尾巴和腿都呈金黃色，身體呈黑褐色。這種蝎子就比較好動(dòng)，當(dāng)用木棍挑逗是能快速逃跑走動(dòng)，便于我們對(duì)其運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察研究。如圖3所示。圖3東亞鉗蝎1.3東亞鉗蝎的步態(tài)周期分析通過研究東亞鉗蝎動(dòng)態(tài)錄像并通過后期圖像處理獲取蝎子步態(tài)信息，對(duì)實(shí)驗(yàn)所得的系列圖像進(jìn)行處理，進(jìn)而得出不同地形下蝎子的步態(tài)周期特性和一個(gè)完整周期中蝎子的腿部角度變化，分析比較運(yùn)動(dòng)過程中蝎子腿部角度的變化，為仿蝎機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。經(jīng)分析，蝎子第一對(duì)步行足的角度變化范圍:水平面擺角變化范圍為(45.0~135.0)°,腿上第一關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(100.8~176.4)°,腿上第二關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(62.8~124.3)°,腿上第三關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(72.2~162.6)°。蝎子第二對(duì)步行足的角度變化范圍:水平面擺角變化范圍為(550~122.5),退上第一關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(109.9~171.5)°,腿上第二關(guān)節(jié)處的角度變化范圍(48.5~108.1)°,腿上第三關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(82.9~165)°。蝎子第三對(duì)步行足的角度變化范圍:水平面擺角變化范圍為（21.0~73.7)°,腿上第一關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(129.7~171.5)°,腿上第二關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(48.9~116.4）,腿上第三關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(85.1~141.0）。蝎子第四對(duì)步行足的角度變化范圍:水平面擺角變化范圍為(12.2~39.5)°,腿上第一關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(115.2~166.4)°,腿上第二關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(64.6~128.4）°,腿上第三關(guān)節(jié)處的角度變化范圍為(97.5~144.3)°。通過對(duì)蝎子地面爬行的圖片分析，可以得到蝎子慢速爬行過程中個(gè)腿步態(tài)起伏的結(jié)論：蝎子爬行時(shí)，將四對(duì)步足分為兩組，每一組都由對(duì)角線的四條步足組成并且同時(shí)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谝唤M步行足同時(shí)抬起時(shí)，第二組步行足同時(shí)著地支撐和保持平衡；同樣，當(dāng)?shù)诙M步行足同時(shí)抬起運(yùn)動(dòng)時(shí)，第一組步行足同時(shí)著地支撐和保持平衡。這樣循環(huán)使蝎子持續(xù)前進(jìn)。通過對(duì)蝎子原型的觀察和對(duì)所得數(shù)據(jù)的分析，可以得出這樣一個(gè)結(jié)論：蝎子在爬行時(shí)，前兩對(duì)步行足主要起到支撐作用，最后一對(duì)步行足主要起向前推動(dòng)作用。當(dāng)?shù)谝唤M步行足同時(shí)抬起運(yùn)動(dòng)時(shí)，由第二組步行足的前三條同時(shí)著地支撐地面并形成一個(gè)三角形的穩(wěn)定支撐形狀，同時(shí)第二組步行足的最后一條用力向后蹬地獲得向前的推動(dòng)力。這樣兩組步行足交替運(yùn)動(dòng)形成了蝎子的步態(tài)循環(huán)。1.4分析結(jié)論在對(duì)蝎子運(yùn)動(dòng)過程中步態(tài)起伏和角度的分析后，我們聯(lián)系蝎子足部的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，決定采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，用齒輪的旋轉(zhuǎn)作為曲柄，帶動(dòng)滑塊的上下移動(dòng)，使機(jī)械蝎子的腳步實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)我們機(jī)械仿生蝎子的運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到仿生機(jī)械的目的。第三章工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)簡介在整個(gè)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，我們采用自上而下的理念，以仿生機(jī)械為目標(biāo)，最終就是要把該機(jī)械裝置做得和實(shí)體生物大體相似，用機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)來模仿實(shí)體生物的正常運(yùn)動(dòng)。于是我們從實(shí)際生物出發(fā)，研究它們的運(yùn)動(dòng)特征，步態(tài)信息，最終聯(lián)系機(jī)械原理，找出與該運(yùn)動(dòng)特征最相似的機(jī)械機(jī)構(gòu)，并對(duì)該動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模仿。本次我們仿生機(jī)械所模仿的動(dòng)物為蝎子，蝎子能運(yùn)動(dòng)的部分大體有足部、鉗部和尾三個(gè)部分，鉗部與尾部大多只有在進(jìn)食和防御的情況下有相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，所以經(jīng)過我們的觀察和討論，著重從蝎子的腿部運(yùn)動(dòng)開始研究和制作。本款仿生蝎子總的來說分為四個(gè)部分，外殼，軀干機(jī)架，尾部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)本次的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)我們采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械蝎子的最終運(yùn)動(dòng)。3.2機(jī)械結(jié)構(gòu)（1）外殼外殼是仿生蝎子的保護(hù)殼，避免其工作時(shí)內(nèi)部原件和機(jī)械被重物砸傷，它也是外觀擔(dān)當(dāng)，外殼連接固定在機(jī)械蝎子的機(jī)架上，同時(shí)也用于保護(hù)機(jī)械蝎子內(nèi)部的電機(jī)以及部分機(jī)械結(jié)構(gòu)，最后安裝于其前端的兩個(gè)鉗子可以實(shí)現(xiàn)開合運(yùn)動(dòng)。圖4蝎子外殼（2）軀干機(jī)架為了便于加工以及控制器、電機(jī)的安裝，本款仿生機(jī)械蝎子的軀干部分采用箱型剛體結(jié)構(gòu)。箱型剛體結(jié)構(gòu)顯而易見，可以減少各個(gè)腳步之間的相互干涉碰撞；提高該機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；大大增加了仿生機(jī)械蝎子腿部運(yùn)動(dòng)的空間。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，該仿生機(jī)械采用了內(nèi)部空心的長方形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是減輕整個(gè)機(jī)械裝置的重量。同時(shí)在各側(cè)面留出軸孔以及設(shè)備安裝孔，在槽型內(nèi)部底面留出凹槽，便于電機(jī)，電池，控制器的安裝以及走線。在原有的箱型剛體結(jié)構(gòu)上添加出蝎子的外殼，尾巴，鉗子，真正意義上體現(xiàn)出仿生蝎子的目的。并在長方體槽型身軀左右兩邊加裝曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌及滑槽，在下部分留出軸孔以及齒輪槽，把這些部分連成一塊板。以上就是該仿生機(jī)械蝎子身軀部分的全部結(jié)構(gòu)。本次外殼我們采用增材制造技術(shù)3D打印進(jìn)行制作。圖5軀干機(jī)架（3）尾部結(jié)構(gòu)在蝎子的尾巴部分，其尾部毒針可以前后伸縮運(yùn)動(dòng)，機(jī)械原理主要為齒輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。毒針穿過尾部支架連接于一小連桿之上，連桿安裝于齒輪圓周之上，從而齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)毒針的前后伸縮。圖6蝎子尾部（4）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)我們選擇的是用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來完成預(yù)定的軌跡。該機(jī)構(gòu)具有面接觸低副，壓強(qiáng)小，壽命長，傳動(dòng)動(dòng)力大；低副易于加工，制造方便精度也相對(duì)較高，可以利用連桿實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡等特點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為此仿生蝎子的第三部分，安裝于蝎子軀干的左右兩邊，使蝎子能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能。并且在曲柄機(jī)構(gòu)之中，根據(jù)滑塊移動(dòng)的導(dǎo)路中心線是否通過曲柄的回轉(zhuǎn)中心，把該機(jī)構(gòu)分成對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。為了避免急回特性的產(chǎn)生，保證每只機(jī)械步足的步調(diào)一致，因此，我們采用了對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)包括4個(gè)紅色齒輪，6個(gè)藍(lán)色齒輪，4個(gè)通軸，2個(gè)連接軸，3個(gè)滑塊（蝎子的步足）以及軀干上的6個(gè)滑槽和10個(gè)軸孔組成。并且左右對(duì)稱，安裝于蝎子軀干的左右兩邊。所述滑塊在齒輪的旋轉(zhuǎn)下實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)。如圖7所示：圖7傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所述藍(lán)色齒輪與紅色齒輪都固定在軸兩端，并通過軸孔，安裝于仿生蝎子軀干左右兩側(cè)，從左到右一號(hào)，三號(hào)，五號(hào)軸孔安裝藍(lán)色齒輪；二號(hào)，四號(hào)軸孔安裝紅色齒輪。在齒輪中，藍(lán)色齒輪位于軸孔18mm處打孔，以120度陣列出三個(gè)小孔，便于蝎子步足（滑塊）的安裝；然而紅色齒輪除軸孔外表面無其它孔，只起傳動(dòng)作用。當(dāng)五對(duì)齒輪相互嚙合之后實(shí)現(xiàn)曲柄的功能，在每個(gè)藍(lán)色齒輪上安裝步足（滑塊），再把步足上端卡入軀干的滑槽中去，到此實(shí)現(xiàn)滑塊功能。使用雙軸電機(jī)，安裝于蝎子最后一根軸中間，實(shí)現(xiàn)最終驅(qū)動(dòng)。綜上便組裝成了一套簡單的機(jī)械曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。圖8整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)第四章機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算在計(jì)算方面，我們采用Matlab軟件來對(duì)本裝置運(yùn)動(dòng)部分的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理設(shè)計(jì)。圖9傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖如上圖所示，經(jīng)過對(duì)實(shí)際機(jī)構(gòu)的測量，得出滑塊AB=54mm，曲柄OA=18mm。4.1滑塊的位移、速度、加速度推導(dǎo)A點(diǎn)坐標(biāo)為，以A為圓心以為半徑的圓與x軸的交點(diǎn)即是B的坐標(biāo)，所以：(1)由曲柄和連桿長度可以計(jì)算出xB的最小值為，所以(2)由(1)和(2)可以求出xB：(3)對(duì)(3)求導(dǎo)得滑塊的速度VB:(4)速度vB已經(jīng)比較復(fù)雜，不再對(duì)其直接求導(dǎo)計(jì)算加速度的解析表達(dá)式，而是利用加速度定義直接計(jì)算加速度：(5)式(5)比精度要高，這一點(diǎn)根據(jù)泰勒公式很容易證明。用求導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算方法的好處是簡單，不容易出現(xiàn)公式輸入錯(cuò)誤的情況。像公式(3)比較復(fù)雜很容易輸入錯(cuò)誤，第一次輸入時(shí)第二個(gè)ω漏掉了。4.2matlab程序代碼clearall;OA=18;%曲柄長度mmAB=54;%連桿長度mmomega=10;%曲柄角速度rad/sdetaTime=0.005;%時(shí)間間隔st=0:detaTime:(2*pi/omega);%時(shí)間sn=length(t);%數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)theta=0;%曲柄轉(zhuǎn)角xSlide=zeros(1,n);%滑塊位移mmvelocitySlide=zeros(1,n);%滑塊速度mm/saccelerationSlide=zeros(1,n);%滑塊速度mm/sforiterTime=1:n;theta=omega*t(iterTime);xSlide(iterTime)=OA*cos(theta)+(AB*AB-OA*OA*sin(theta)*sin(theta))^0.5;%公式(3)velocitySlide(iterTime)=-omega*OA*sin(theta)-(0.5*omega*OA*OA*sin(2*theta))/((AB*AB-OA*OA*sin(theta)*sin(theta))^0.5);%公式(4)end%根據(jù)速度計(jì)算加速度accelerationSlide(1)=(velocitySlide(2)-velocitySlide(1))/detaTime;accelerationSlide(n)=accelerationSlide(1);foriterTime=2:(n-1);accelerationSlide(iterTime)=(velocitySlide(iterTime+1)-velocitySlide(iterTime-1))/(2*detaTime);%公式(5)endfigure(1)plot(t,xSlide,'-*');title('曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊位移');xlabel('時(shí)間(s)');ylabel('位移(mm)');figure(2)plot(t,velocitySlide,'-o');title('曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊速度');xlabel('時(shí)間(s)');ylabel('速度(mm/s)');figure(3)plot(t,accelerationSlide,'-^');title('曲柄滑塊機(jī)構(gòu)滑塊加速度');xlabel('時(shí)間(s)');ylabel('速度(mm/s^2)');4.3機(jī)構(gòu)位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)圖像由MATLAB建模得出此機(jī)構(gòu)的位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)圖像，如下圖所示：圖10曲柄滑塊機(jī)構(gòu)位移示意圖圖11曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)間-速度圖象圖12曲柄滑塊機(jī)構(gòu)時(shí)間-速度圖像小結(jié)：綜上所示，我們通過不斷試驗(yàn)與改進(jìn)，以此基于matlab軟件構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，并繪制了機(jī)構(gòu)位移、速度、加速度圖像。（圖1-圖3）進(jìn)一步佐證了機(jī)構(gòu)的可行性。第五章成本核算在成本核算方面，本款機(jī)械仿生蝎子的身體軀干機(jī)架，步足以及外殼均采用3D打印技術(shù)來制作；安裝于機(jī)架之上以及尾部的齒輪采用6mm厚度的亞克力板，通過激光雕刻機(jī)來制作，在孔和軸連接處為了使軸運(yùn)動(dòng)更加順滑，采用軸承安裝于孔中，最后再加裝軸；至于電機(jī)我們目前才用雙軸的碳刷抗干擾TT馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)；之后我們希望把單電機(jī)改為兩個(gè)雙軸電機(jī)，使機(jī)械蝎子實(shí)現(xiàn)電控控制，所以購買了芯片AT89C52開發(fā)板對(duì)其進(jìn)行編程測試。整個(gè)成本明細(xì)如下圖所示：成本核算明細(xì)表名稱材料/備注售價(jià)及加工費(fèi)（單位：元）打印耗材PLA436.0激光雕刻材料亞克力板102.0電線銅線3.2控制板芯片AT89C52C52開發(fā)板51.0電機(jī)碳刷抗干擾TT馬達(dá)7.0軸承標(biāo)準(zhǔn)件13.0總計(jì)612.2主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)仿照蝎子的模樣，運(yùn)動(dòng)方式，以及習(xí)性制作出相仿的機(jī)械裝置，本款產(chǎn)品很好的模仿了蝎子的模樣，所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械蝎子同時(shí)真實(shí)地模擬了蝎子鉗部、腿部以及尾部的運(yùn)動(dòng)過程。利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)腿部運(yùn)動(dòng)模擬，齒輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)尾部運(yùn)動(dòng)模擬。設(shè)計(jì)緊扣大賽主題。設(shè)計(jì)過程中，本產(chǎn)品運(yùn)用Solidworks進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用Matlab數(shù)學(xué)建模，得到機(jī)構(gòu)位移、速度、加速度圖像。其在實(shí)際工作中可以實(shí)現(xiàn)紅外遙控、避障、循跡等功能，同時(shí)尾部的相機(jī)可以向操作人員傳達(dá)視頻信息。在制作方面，運(yùn)用3D打印制作外殼，軸承等部件，工藝簡單，可投入大批量的生產(chǎn)。作為災(zāi)后救援的仿生蝎子，其體型較小能夠進(jìn)入狹小的空間進(jìn)行搜救工作，減少不必要的人員傷亡，提高救援效率。不僅如此，本款仿生機(jī)械蝎子用途非常廣泛，除了運(yùn)用在救援方面之外，也可以投入到農(nóng)業(yè)，軍事，地質(zhì)勘探等領(lǐng)域中去，使