1.蛇的运动器官蛇的四肢已完全退化,【嵌牛提

日期:2019-12-01编辑作者:巴黎人-玩具模型

蛇身体结构的特殊性,使它可以通过多种方式运动,并且控制较为简单,所以总是成为玩具商的宠儿。记者在现场看到,机器蛇体积较小,结构简单合理,并且采用了独创的控制电路,将复杂的行动简化为基础运动。机器蛇由多个关节串联而成,每个关节均具有一个独立的自由度,因此每个关节都能够独立控制,每个关节均有一个独立的伺服电机作为驱动器,产生一个回转自由度,通过多个关节的相互配合,模拟蛇形曲线驱动整个机器蛇前进。

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2.蛇的运动方式

蛇的运动方式主要有婉蜒运动、直线运动、伸缩运动、弹跳运动和侧向运动。蛇的婉蜒运动是蛇共有的一种运动方式。由于其腹鳞前后排列,以皮肌与肋骨尖相连,肋肌有节奏地收缩,肋骨就前后移动,通过皮肌引起腹鳞与地面产生反作用力将身体推向前进,同时椎骨左右弯曲,使身体在地面上作一连串的水平波状弯曲,使体侧不断施压力于地面而推动蛇体前进,这种烷蜒运动有利于蛇在崎呕不平的荒野草丛中行动。蛇的直线运动是躯体较粗的螺科和理科的蛇类所常常采取的一种行进方式,这类蛇的特点是腹鳞与其下方的组织之间较疏松。由于肋骨与腹鳞间的助皮肌有节奏地收缩,使宽大的腹鳞依次竖立,支持于地面,于是蛇体就不停顿地呈一直线向前运动。蛇的伸缩运动是在光滑的地面上或狭窄空间洞穴中采取的一种运动方式。采用此种方式运动的蛇首先将体前部竖起,尽力前伸,直至接触到某物体作为支持物,身体后部接着收缩上去,如此前伸后缩,蛇就不断前进。弹跳运动是某些组短蛇种采取的运动方式,如铅色水蛇可将身体弯曲,以弹跳动作前进。蛇的侧向运动是蛇适应于在沙地上前进的行动方式。前进的方向与蛇体的主轴赂呈垂直,与蛇头的方向一致,仅有两部分蛇体与地面接触,在沙地上留下一条条长度与蛇相当,相互平行的“J”形痕迹o

  液压驱动式机械手通常由液动机(各种油缸、油马达)、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统,由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力(高达几百千克以上),其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好,但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能,否则漏油将污染环境。

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据项目组成员尹承禹介绍,作为一款玩具,控制简单、外观新奇是研制者考虑的重点。他们将所有的动作分解为5个基本动作,很多复杂行为都可以通过这几个基本动作组合而成,最终实现左弯曲、右弯曲、左右漂移、蠕动前行、越障、左右打圈、抬头、低头等十几种动作。此外,为了减轻重量,研制者还对蛇体进行了镂空处理,在一定程度上也增加了其观赏价值。

意法半导体公司11月28日在北京举行的2012iNEMO中国校园设计大赛颁奖典礼上宣布,西安电子科技大学DragonDance团队设计的“水下蛇形环境勘测机器人”获得了冠军,并得到20000元奖金。

1.蛇的运动器官

蛇的四肢已完全退化,蛇在陆地上行进,主要是靠身体左右弯曲作“s”状向前运动及腹部鳞片活动与地面摩擦推进身体前行,两者密切配合,协调自如。参与蛇运动的组织器官主要有腹鳞、脊校、皮肌和肋骨。

腹鳞与蛇的运动蛇体表面披着细小的鳞片.陆生和树栖种类的蛇胺面有一列特别大的鳞片,它们由—腹侧到另一腔侧通称为腹鳞,蛇的腹鳞、肛鳞和尾下鳞形态不同。腹鳞为摄瓦状排列,能作前后活动,是陆生和树栖种类的蛇爬行的主要工具。当腹鳞向前移动时,由于鳞片是覆瓦状排列,并不影响身体活动。但当腹鳞向后移动 时,由于鳞片的游离,后缘与粗糙的地面相接触,成一固定点,在腹鳞继续向后移动时便反作用把身体推向前。

脊柱与蛇的运功 蛇的脊柱极长,通常由 300多个脊椎骨组成,多的达400余个。脊椎骨的数目大致相当于其腹鳞及尾下鳞的数日,所以在体外可以大致数出其脊椎骨的数目。在每个脊椎骨的两端,除了有和一切脊椎动物一样的前后关节外,蛇还特别长有1对副关节突。脊椎骨的神经弧前端叫椎弓凸,是楔状突起;后端叫推弓凹,是凹窝状,这样前、后两个脊椎骨之间的副关节凸与凹,互相嵌合,因而蛇的每个脊椎骨都具有特殊的双重关节,故蛇的整条脊椎骨不但没有脱曰之忧,并目可以增加其曲绕性和灵活性,使其在爬行前进时,身体能作左右“s”状弯曲运动。往作见到蛇在休息或睡眠时,能将身体盘旋成圆饼状,把头放在中央,这是因为蛇的脊柱具有双重关节的线故。

肋骨与运动蛇除脊柱具有双重关节能作“s”状运动外,它的每个脊椎骨,除前面第1个环椎及尾端少数脊椎骨外,都有l对细长而弯的肋骨。它们之间通过可动关节相连接,因而所有的肋骨内于肌肉的收缩可以前后有规律地活动;在肋骨末端则有极其发达的皮下肌与腹鳞相连。因此,在肋骨前后移动的同时,亦能牵动腹鳞作前后活动,推动身体前行。这种动作便与身体左右运动一起共同完成爬行动作o

  电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便,响应快,驱动力较大(关节型的持重已达400kg),信号检测、传动、处理方便,并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机,直流伺服电机(AC)为主要的驱动方式。由于电机速度高,通常须采用减速机构(如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等)。有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动(DD)这既可使机构简化,又可提高控制精度。

2014年4月,瑞士召开日内瓦国际发明展上,负责给全球45个国家和地区的1000多项发明“打分”的评委们,特别青睐一条诞生于浙大玉泉校区的“蛇”,为它颁出了一个金奖。这条蛇能在湿漉漉的草丛里自由地爬行,碰到障碍物就灵巧地避开或者翻过去;如果你给它设置一个迷宫,它会循着S型的路线优哉游哉地穿越。甚至,它还能帮你“捡”东西———一款新型的蛇形机器人。“蛇爸爸”,浙大机械电子工程专业的本科生汪文广、张京韧、陈高翔和方诗麟给它起名为AirDancer。要够“柔软”才像蛇灵感来自于一个“偷懒”的想法。一天晚上,方诗麟躺在床上听歌,不小心把mp3掉到床缝里了。方诗麟突然想到,如果能有个机器人像蛇一样灵巧又听话就好了。方诗麟和小伙伴们一搜,果然有“蛇”,可是它们大多是有电机或舵机驱动的,在自由度、越障能力、环境适应性等方面都有欠缺。他们想到,机电所刘昊副教授上过《气动电子技术》课,如果采用气动的方式驱动,是不是就能解决这些问题呢?刘昊听说了同学们的想法,很赞成:“大家都在做电动机器人,你们做气动的,很有创意!能自己提出创新的思想并努力实现,很好哇。”刘老师向四位男生开放了实验室,还把他闲置的一个实验装置拆了给他们用。蛇之所以能适应各种复杂的地理环境,成为越障能力最强的生物之一,是因为它有柔软多变的身躯和多种运动形式,怎样让机器人也能像蛇那样自由蜿蜒呢?刘老师启发四位男生,微型气缸可以使机器人做得小巧又灵活。于是,四位男生开始了第一代蛇形机器人的研发。4节蛇身可以变换4096种姿态第一代的机器蛇直径只有69毫米,这就要求所有的零件也是迷你型的。比如关节轴承,市面上大多数的直径是15毫米,但他们需要的是直径6毫米的。网上查了下,都没有现货,需要500个才能定做,而他们只需要30个关节轴承。方诗麟和陈高翔只能到机电市场碰碰运气。第一次去,问了一圈都没有。他们回来歇了一天,又去了一趟。有个摊主很好奇,“你们是哪里的?要这么小的轴承做什么呢?”方诗麟和陈高翔如实相告。后来,热心的摊主来电话说,终于找到微型轴承了。蛇身机械结构有12个微型气缸和1个手指摆动气爪。12个微型气缸组成了四个蛇身模块,每个蛇身并联机构有3个“关节”,整个蛇身有13个自由度。气缸充气就会伸长,放气就会自动复位,也就是说每个气缸都有两种姿态位置,这样算下来,理论上整个蛇身共有4096种姿态。蛇身的后面还拖着一条“尾巴”,也就是气管,后面连着气动控制系统。刘老师说,“他们首次把气动驱动和并联机构引入了蛇形机器人领域。”与同类蛇形机器人相比,同样大小的体积,并联机构能够输出更大的力,而且所使用的并联机构恰好与气缸运动方式相结合,省去了大量的减速装置,使得结构更为紧凑,更为简单。绝招:潮湿的管道中也能行走自如汪文广特别研究了蛇的运动步态。蛇的各种运动方式都是靠身体与地面的摩擦,并且适时地改变自身的姿态来实现的。他由此提出了最初的运动方案。张京韧是4位男生中动手能力最强的,平时经常帮同学修自行车,当张京韧把运动方案转换为代码导入之后,机器蛇却没有按照预想的前进,而是“原地踏步”。“一定是哪个参数出了问题。”刘老师和大家一起根据蛇实际的运动过程讨论分析其中的原因,由张京韧和陈高翔不断地对步态进行修改,最后使得蛇渐渐按照他们的想法去运动。“机器蛇很调皮,有时候喜欢跟我们反着来,程序明明是向左拐,蛇却翻滚着向右去,调试过程有点烦人,但当看到蛇按照我们的设想做动作的时候,就好高兴。”蛇终于动起来了,其他三位男生送给张京韧一个美誉,“驭蛇大师”。“由电驱动的机器蛇是‘刚性’的,做动作比较生硬,我们的机器蛇是‘柔性’的,就很灵活,而且因为没有电气元件,AirDancer可以在其他同类机器人不能到达的环境中,比如潮湿的管道中,依然行走自如。这个显著的特性使得它的应用前景十分广泛。”刘老师说。2014年3月,四位男生和学弟们一起研发了第2代的机器蛇,可以根据不同的环境更换“皮肤”。(文 吴雅兰/ 摄影 张鸯)

哈尔滨新闻网讯时而向右、时而打圈,甚至可以越过障碍……只要你打开电源,按操作键盘的不同按钮,类似玩具火车又比火车灵活得多的机器蛇,可以随你所愿地做出各种动作。这就是哈工大学生研制的机器蛇,有望走进家庭,丰富人们的娱乐生活

亚军作品是哈尔滨工业大学团队设计的“老人生命伴侣”, 利用iNEMO监控老年人的步行动作,能检测老人是否摔跤。今后如进一步完善开发,将对老年人的保健具有实际意义。

1.蛇的运动器官蛇的四肢已完全退化,蛇在陆地上行进,主要是靠身体左右弯曲作“s”状向前运动及腹部鳞片活动与地面摩擦推进身体前行,两者密切配合,协调自如。参与蛇运动的组织器官主要有腹鳞、脊校、皮肌和肋骨。腹鳞与蛇的运动蛇体表面披着细小的鳞片.陆..

  手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作,手臂的3个自由度都要精确地定位。

竞赛于5月25日~11月28日举行,中国大陆44所大学的121个团队参赛,提交了117项设计方案,最终有15项进入了决赛。意法半导体提供了包含10个自由度MEMS传感功能和1个STM32位MCU的iNEMO评估开发工具。竞赛旨在支持和推广大学生和青年工程师的MEMS创新设计概念。

3.蛇的行进速度

人们一般认为蛇的行进速度是很快的,这种看法是不完全正确的,其实蛇的行进速度是比较慢的,据测算,多数蛇的行进速度约为1.5千米/小时。

  气压驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成,其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制,气压不可太高,故抓举能力较低。

DragonDance团队代表介绍,该作品把MEMS传感功能的10个自由度都用到了。蛇形机器人以STM32MCU为上层控制单元,通过iNEMO板载加速度计、陀螺仪和地磁计采集数据,通过卡尔曼扩展滤波算法进行数据融合,得出了三个姿态角,航向角、航控角、俯仰角,根据处理结果并采用多种控制策略,通过16路舵机控制蛇形机器人的每个关节,使机器人在复杂水域环境中保持运动稳定性,从而实现了对蛇形机器人的闭环控制。

【嵌牛正文】机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业,构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。

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