全国大学生机械产品数字化设计大赛作品说明书

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

四、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，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。