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摘 要：主要介绍一种仿生机械（机械蝎子）的设计方案，强调仿生技术在机械领域中运用的重要性。
关键词：机械蝎子 机构设计 仿生技术
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-248-02
仿生技术是直接面向国民经济和国防科技发展的实际需求，以仿生学为理论基础，该技术在各个领域的运用逐渐普及，本设计便是基于对于仿生技术的运用。
机械蝎子由钳子、主躯干和腿等三部分组成，操作面板通过各个电机之间的不同配合实现蝎子的相关动作和相关功能
1 机械蝎子的总体设计
本作品（机械蝎子）一共由夹持器——钳子、机架——主躯干和行走机构——腿部三大部分组成，操作手柄通过各个电机之间的不同配合实现蝎子前进、后退、转弯。蝎子有两个钳子，左钳子有两个自由度，上面装有微型照明设备，使之可以在光线不足的地方使用。右钳子有五个自由度，可以夹取蝎子前方的小物件，蝎子背部装有一个小型容器，钳子把夹取的物件放到盒子里。蝎子腹部尾巴上的摄像头也可以使用手柄操纵摄像头在水平和竖直方向上的旋转，无死角。蝎子头部装有超声波，遇见障碍物会停下或者转弯，防止碰撞。蝎子钳子顶端装有红外探头，夹取时会更加精准。
1.1 主躯体
作品（机械蝎子）利用有机玻璃板作为主躯体，尾部利用固定的曲轴连杆（曲柄滑块机构）控制腿部的前后运动。
1.2 行走机构——腿部
腿部共6足，3足为一组。通过观察蝎子单腿的原理，确定其每个足为曲柄摇杆与平行四边形机构的组合，由电机带动曲柄旋转，输出的摇杆又作为平行四边形机构的输入件，从而使平行四边形机构的连杆（腿）作上下平动，即实现抬腿与落地支撑的功能，配合主躯体的前后移动，即实现了蝎子的前进后退的行走运动。
足部轨迹是蝎子在行进过程中，完成一个循环动作的足部所产生的运动轨迹。若以蝎子的身体为参考坐标系，则该运动轨迹应为一封闭曲线。而蝎子在行进的过程中，根据其所需完成的动作可分为支撑和跨越，故将其足部轨迹曲线分为支撑段和跨越段。若将足部沿着既定轨迹循环一遍的时间称之为一个周期，那么我们将足部接触地面的时间段称为支撑段；反之，足部在空中运动的时间段称为跨越段。根据生物学上的定义，动物在行进时腿部花在支撑段的时间要占到整个循环周期的一半以上，目的是增加其在行进过程中的稳定度。
2 工作原理及性能
当平行四边形机构的四个杆处于一直线位置时，从动件的运动不确定，在平行四边形机构中常增加一平行杆。它的特点之一是相对杆始终保持平行，且两连杆的角位移、角速度和角加速度也始终相等。这种机构的另一特点是当多个平行四边形机构叠加起来使用时，能起放大位移作用。平行四边形机构保证了蝎子的腿部始终在竖直平面内上下运动。因其为全低副机构，构件简单，故有着容易加工制造，传动精度高，耐磨损等优点。
（1）机械蝎子腿部的曲柄摇杆机构。
曲柄摇杆机构能实现整周转动与往复摆动间的转换。如图2所示的铰链四杆机构中，两连架杆一为曲柄，可绕固定铰链中心A作整周转动，另一为摇杆，只能在范围内往复摆动。
（2）机械蝎子身体部分的曲柄滑块机构。
曲柄滑块机构是内燃机的基本机构，已经被广泛地应用于各种领域中。曲柄滑块机构在高速运转过程中，有曲轴的转动、连杆的摆动及活塞的往复运动，其运动状态复杂，各个部件所产生的周期性不平衡惯性力大。本设计中即利用其传动方式，由电机的转动带动飞轮、曲轴连杆机构转变成滑块的直线运动，滑块在一定的行程范围和行程次数作前后运动，以实现两组腿部的交替前进；从而配合腿部的抬起放下，完成蝎子的行走。
（3）夹持部分——机械夹持器。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三部分组成。手部用于抓持工件（或工具）；根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构用于使手部完成各种规定的动作，以改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。蝎子有两个钳子，左钳子有两个自由度，上面装有微型照明设备，使之可以在光线不足的地方使用。右钳子有五个自由度，可以夹取蝎子前方的小物件，蝎子背部装有一个小型容器，钳子把夹取的物件放到盒子里。控制系统：通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作；同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。它的核心是由单片机和PWM微控制芯片构成的，通过对其编程实现所需功能。
3 应用前景
机器人不仅具有步行移动的基本功能，而且可借助相应的末端执行工具，如机械手臂完成指定的作业任务，体现机器人的多功能性。足式仿生机器人运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的应用前景。
仿生机械蝎子也可用于探险、侦察等危险环境。例如：配上相应设备，它可以探测并排除地雷、水雷、炸弹等危险物；也可以作为侦察器潜入敌区，收集情报，侦察地形、敌情。对于未来两栖战场提高作战效能、减少人员伤亡、降低政治敏感度都有十分重要地意义。
参考文献：
[1] 徐俊伟.八足机器人步行机制及稳定性研究[D].哈尔滨工业大学，2011.
[2] 王立权，孙磊，陈东良，等.仿生机器蟹样机研究[J].哈尔滨工程大学学报，2005（10），26（5）.
[3] 王立权，王海龙，陈曦.仿蟹机器人行走稳定性判定方法[J].高技术通讯，2013（2）.
关键词：机械蝎子 机构设计 仿生技术
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-248-02
仿生技术是直接面向国民经济和国防科技发展的实际需求，以仿生学为理论基础，该技术在各个领域的运用逐渐普及，本设计便是基于对于仿生技术的运用。
机械蝎子由钳子、主躯干和腿等三部分组成，操作面板通过各个电机之间的不同配合实现蝎子的相关动作和相关功能
1 机械蝎子的总体设计
本作品（机械蝎子）一共由夹持器——钳子、机架——主躯干和行走机构——腿部三大部分组成，操作手柄通过各个电机之间的不同配合实现蝎子前进、后退、转弯。蝎子有两个钳子，左钳子有两个自由度，上面装有微型照明设备，使之可以在光线不足的地方使用。右钳子有五个自由度，可以夹取蝎子前方的小物件，蝎子背部装有一个小型容器，钳子把夹取的物件放到盒子里。蝎子腹部尾巴上的摄像头也可以使用手柄操纵摄像头在水平和竖直方向上的旋转，无死角。蝎子头部装有超声波，遇见障碍物会停下或者转弯，防止碰撞。蝎子钳子顶端装有红外探头，夹取时会更加精准。
1.1 主躯体
作品（机械蝎子）利用有机玻璃板作为主躯体，尾部利用固定的曲轴连杆（曲柄滑块机构）控制腿部的前后运动。
1.2 行走机构——腿部
腿部共6足，3足为一组。通过观察蝎子单腿的原理，确定其每个足为曲柄摇杆与平行四边形机构的组合，由电机带动曲柄旋转，输出的摇杆又作为平行四边形机构的输入件，从而使平行四边形机构的连杆（腿）作上下平动，即实现抬腿与落地支撑的功能，配合主躯体的前后移动，即实现了蝎子的前进后退的行走运动。
足部轨迹是蝎子在行进过程中，完成一个循环动作的足部所产生的运动轨迹。若以蝎子的身体为参考坐标系，则该运动轨迹应为一封闭曲线。而蝎子在行进的过程中，根据其所需完成的动作可分为支撑和跨越，故将其足部轨迹曲线分为支撑段和跨越段。若将足部沿着既定轨迹循环一遍的时间称之为一个周期，那么我们将足部接触地面的时间段称为支撑段；反之，足部在空中运动的时间段称为跨越段。根据生物学上的定义，动物在行进时腿部花在支撑段的时间要占到整个循环周期的一半以上，目的是增加其在行进过程中的稳定度。
2 工作原理及性能
当平行四边形机构的四个杆处于一直线位置时，从动件的运动不确定，在平行四边形机构中常增加一平行杆。它的特点之一是相对杆始终保持平行，且两连杆的角位移、角速度和角加速度也始终相等。这种机构的另一特点是当多个平行四边形机构叠加起来使用时，能起放大位移作用。平行四边形机构保证了蝎子的腿部始终在竖直平面内上下运动。因其为全低副机构，构件简单，故有着容易加工制造，传动精度高，耐磨损等优点。
（1）机械蝎子腿部的曲柄摇杆机构。
曲柄摇杆机构能实现整周转动与往复摆动间的转换。如图2所示的铰链四杆机构中，两连架杆一为曲柄，可绕固定铰链中心A作整周转动，另一为摇杆，只能在范围内往复摆动。
（2）机械蝎子身体部分的曲柄滑块机构。
曲柄滑块机构是内燃机的基本机构，已经被广泛地应用于各种领域中。曲柄滑块机构在高速运转过程中，有曲轴的转动、连杆的摆动及活塞的往复运动，其运动状态复杂，各个部件所产生的周期性不平衡惯性力大。本设计中即利用其传动方式，由电机的转动带动飞轮、曲轴连杆机构转变成滑块的直线运动，滑块在一定的行程范围和行程次数作前后运动，以实现两组腿部的交替前进；从而配合腿部的抬起放下，完成蝎子的行走。
（3）夹持部分——机械夹持器。
机械手主要由手部、运动机构和控制系统三部分组成。手部用于抓持工件（或工具）；根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构用于使手部完成各种规定的动作，以改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。蝎子有两个钳子，左钳子有两个自由度，上面装有微型照明设备，使之可以在光线不足的地方使用。右钳子有五个自由度，可以夹取蝎子前方的小物件，蝎子背部装有一个小型容器，钳子把夹取的物件放到盒子里。控制系统：通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作；同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。它的核心是由单片机和PWM微控制芯片构成的，通过对其编程实现所需功能。
3 应用前景
机器人不仅具有步行移动的基本功能，而且可借助相应的末端执行工具，如机械手臂完成指定的作业任务，体现机器人的多功能性。足式仿生机器人运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的应用前景。
仿生机械蝎子也可用于探险、侦察等危险环境。例如：配上相应设备，它可以探测并排除地雷、水雷、炸弹等危险物；也可以作为侦察器潜入敌区，收集情报，侦察地形、敌情。对于未来两栖战场提高作战效能、减少人员伤亡、降低政治敏感度都有十分重要地意义。
参考文献：
[1] 徐俊伟.八足机器人步行机制及稳定性研究[D].哈尔滨工业大学，2011.
[2] 王立权，孙磊，陈东良，等.仿生机器蟹样机研究[J].哈尔滨工程大学学报，2005（10），26（5）.
[3] 王立权，王海龙，陈曦.仿蟹机器人行走稳定性判定方法[J].高技术通讯，2013（2）.