仿生和走行机构设计.pdfVIP

机械设计 JOUItNALOFMACHINEDESIGN 2l 仿生与走行机构设计 苏伟，张春林，孔凌嘉 100081) (北京理：I：=大学机械与车辆：I：程学院，北京 摘要：模仿生物体的各种运动，运用机构设计和力学原理，研究在各种不同环境中工作的走行机构，是仿生机构的 重要应用领域。本文以生物体的运动方式为分析对象，通过研究生物体的走行运动机理，分析仿生学研究与走行机构设 计的关系，为走行机构的仿生设计提供帮助。 关键词：仿生；步态；走行机构 机械中机构的作用主要是完成所需的各种运动变换。走行 以此来设计仿生机构的运动动作，继而为创造仿生机构系统奠 机构的主要作用是通过机械运动，进行运动的传递和转换，支 定基础。 配机械主体或部分按照特定的方式或姿态进行移动。走行机构 动物的运动可以分为步行、爬行、蠕动、飞行和水中的游 的类型及运动状态直接影响到机械的总体结构、工作性能。随 动。按照动物的特征，步行还分为两足步行、四足步行、六足 着人类活动空问的扩火，设计和创造对工作环境具有高度适应 步行和多足步行；爬行动作主要指无足类的蛇行动作；蠕动土 能力的走行机构显得越来越重要。 。 要指蚯蚓或特殊昆虫类的运动；飞行主要指鸟类或带翼昆虫依 靠翅膀煽动而进行的运动；游动主要指鱼类和个别动物在水中 1 仿生、仿生机械与仿生机构 的运动。下面以动物的步行动作为研究对象加以分析。 由于在进化过程中形成的亲缘关系，人体下肢与儿他两足 走行动物的步行腿在生理结构上具有相近的特征，I酊人的下肢 仿生学(bionics)是模仿生物机能与运动的科学，是生命 科学与工程技术相互渗透、相互交叉、结合而形成的一门综合 尤lC灵活，下面以人为例对两足走行动作加以分析。 人在行走时，两臀轻松的随两腿的交替运动而摆动，其运 性边缘学科。仿生学研究生命的结构、物质、功能、运动、能 量转换和信息的传递与控制的过程，并将它们应用于技术系 动方向与同侧腿相反而与对侧腿一致：骨盆被上肢摆动所牵 统，如利用I乜子、机械、控制等技术手段对这些过程进行模拟， 连，产生周期性的旋转与倾斜；踩、膝和髋关节的角度都在变 从而改善现有的或创造“{崭新的现代技术装置【l】。 化而月．协调的很好。上述这些特点，不仅是行走的要求，也是 仿生学与机械学相互交叉、渗透，就形成了仿生机械学。 耗能最小的要求。一般来说，对于一个平动的物体，质心起伏 越大则耗能越大。行走时足的着地过程可分为三个阶段，足跟 仿生机械学涉及生物学、生物力学、生物运动学、医学、机械 工程、控制论和电子技术等存学科，贯穿着研究、模拟生物系 着地、足底放平和推离期。正常6；’fT一走时，不存在滑动。从一次 统的信息处理、运动机理和系统控制、以及在医学(如假肢、 足跟着地到再次着地为一步行周期，一个周期分为足跟．oj地面 医用机械于等)和T程中的应用。仿生机械学包含着对生物现 接触时的支撑期和足趾离开地面时的摆动期，支撑期占步行州 象进行力学研究，对生物的运动、动作进行技术分析，并把这 些成果付之实用化…。 仿生机构是仿生机械的重要组成部分，是模仿生物的生理 动，骨盆做幅度约8。的前后旋转。正常步态的维持，应为髋 结构、运动形态和控制原理设计制造H{的功能更集中、效率更 关节前屈30。，后伸1