一种基于空间连杆机构的仿生海龟模型设计_韩校粉.pdf
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1、机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址: 电邮:2023 年第 8 期一种基于空间连杆机构的仿生海龟模型设计韩校粉,孙立明,赫万恒(中国人民解放军陆军工程大学 石家庄校区,石家庄 050003)图1基于空间连杆机构的仿生海龟工作流程设计扑翼机构运动,海龟按要求行进带动空间连杆机构运动控制电动机运动遥控器和接收器工作检测反馈装置发信号对海底情况进行检测和反馈0引言针对海洋敌对势力入侵问题,拟采用仿生学原理,设计一种仿生海龟,深入到海底实现无人侦测等功能、有效监测敌情,从而防御敌对国家从海上打击和入侵,维护中国海洋权益。海龟是一种海洋生物,主要利用前肢扑翼上下挥拍的运动,推进整个身体
2、在水里灵活游动,从生物学角度来看,融合了动物飞行和游动两种运动1,具有噪声低、灵活性好与涡流利用率高的突出特点2。本文通过文献查询,对海龟的扑翼运动机理进行分析,获取海龟扑翼在游动过程中的运动规律,得到其运动曲线图谱,根据连杆机构中连杆曲线的多样性,设计仿生海龟单只扑翼的机构运动方案,并以此为基础进行仿生海龟的设计,实现海龟的自由游动,在军事上,配以监测设备用于监测敌情,便于进行战略部署。1设计思路及技术路线根据对海龟扑翼的运动分析,基于机械原理课程等基础知识,拟设计一种空间连杆机构,模仿海龟扑翼的运动,进而实现仿生海龟的自由游动。工作时,首先,利用监测装置监测周围环境,并反馈给指挥中心;其次
3、,控制装置发出指令,接收器接受,从而控制电动机的运动;然后,电动机作为扑翼机构的动力源,带动扑翼机构进行转动和摆动,从而使仿生海龟按要求行进;最后,检测装置对海底的情况进行检测并及时反馈给控制中心。整个工作过程构成一个闭环系统,图1所示为设计的仿生海龟工作流程图,设计时,在理论研究的基础上,利用慧鱼构件搭建原理模型,经过调研、分析、设计、制作、检验等步骤,制作出基于空间连杆机构的仿生海龟模型。2方案设计2.1整体方案设计设计的整个装置可模拟仿生海龟的扑翼运动,实现海龟在海里的自由游动,属于仿生机械学的研究范畴。整个设备采用模块组合式结构,主要由底盘及框架、传动装置、扑翼机构、检测及控制装置4部
4、分组成。底盘及框架主摘要:针对海洋敌对势力入侵问题,根据海龟扑翼运动机理,设计一种基于空间连杆机构的海龟扑翼仿生机构,并以此为主体,构思仿生海龟模型,仿生海龟模型主要由底盘及框架、扑翼机构、传动机构、监测及控制装置4部分组成,利用慧鱼创意组件搭建了原理模型。实践表明,空间连杆机构中的输出构件可实现转动和摆动两种运动,初步模拟海龟扑翼的动作,实现仿生海龟的自由游动。在原理上,该设备配以红外传感器、摄像头等装置,可以实现海上监测敌情、打击敌方有生力量等功能,维护海洋和平。关键词:扑翼机构;空间连杆机构;仿生海龟;传感器中图分类号:TH 122文献标志码:A文章编号:10022333(2023)08
5、001103Design of Bionic Turtle Model Based on Spatial Linkage MechanismHAN Xiaofen,SUN Liming,HE Wanheng(ShijiazhuangCampus,ArmyEngineeringUniversityofPLA,Shijiazhuang050003,China)Abstract:Aiming at the invasion of hostile forces in the sea,according to the mechanism of turtle flapping wingmovement,a
6、 bionic mechanism of turtle flapping wing based on spatial linkage mechanism is designed,and based on this,a bionic turtle model is conceived.The bionic turtle model is mainly composed of four parts:chassis and frame,flappingwing mechanism,transmission mechanism,monitoring and control device,the pri
7、nciple model is built by using the creativecomponents of Fischertechnik.The practice shows that the output component of the spatial linkage mechanism can realizeboth rotation and swing motions.The action of the turtle flapping its wings is preliminarily simulated,and the freeswimming of the bionic t
8、urtle is realized.The equipment is equipped with infrared sensors,cameras and other devices,which can theoretically realize the functions of detecting the enemys situation at sea,attacking the enemys effectiveforces to maintain marine peace.Keywords:flapping wing mechanism;spatial linkage mechanism;
9、bionic turtle;sensor基金项目:陆军工程大学基础前沿科技创新项目(校教 202138号)11机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址: 电邮:要实现对各个零部件的支撑,传动装置将电动机的运动减速并分配至两个扑翼机构,扑翼机构通过运动的转换和传递实现海龟扑翼的运动轨迹,检测及控制装置用于检测周围情况并实现对扑翼机构运动的控制。整个机构除翼片运动机构外,其他部分均可置于一密闭橡胶壳体内,在壳体和翼片运动机构的连接处,利用橡胶的韧性和可弯曲性实现翼片运动机构的运动。利用慧鱼创意组合模型中的零件搭建的整体结构如图2所示。慧鱼创意组合模型是一种工程积木
10、,用以展示机械设计的过程,慧鱼零件可以任意连接组合,实现设计者的设计意图。2.2底盘及框架的设计与实现基于空间连杆机构设计的扑翼机构,目前只是在原理上能够支撑整个装置的质量,模拟海龟的运行,在实验室借助底盘和主体框架的支撑模拟其运行情况(如图3),目前底盘采用轻质泡沫,以增加游行的稳定性;主体框架主要实现对各部分的有效支撑,选取质量较轻的带孔杆件以降低整机质量。2.3扑翼机构的设计与实现1)海龟行进机理。根据文献查阅结果可知,一般的海龟在深水游动时,通过不断改变扑翼前缘的姿态来调节击水攻角,从而利用水流产生的反作用力实现前进运动。海龟前肢扑翼运动状态变化如图3所示3,共有两个基本运动,理论上可
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