一种仿生虎纹捕鸟蛛

1.本实用新型涉及一种仿生机械，特别涉及一种基于自由度联动的仿生虎纹捕鸟蛛。

背景技术：

2.轮式机械在人类的历史中已经被视为主要的交通工具有数千年之久，但是，在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点，从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。
3.相比之下，多足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，对环境的破坏程度也较小，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖地形的适应性强。
4.专利申请cn201920315207.6公开了一种小型模块化仿生多足步行机器人，该机器人包括躯干本体和若干个可多角度摆转的腿部结构，所述腿部结构与躯干本体卡接，并呈均衡分布；所述机器人设有的腿部结构的数量不唯一，所述腿部结构包括若干个用于摆转的小型摆转关节模块，小型摆转关节模块依次连接，通过摆转角度的变化实现机器人的行走。但是该专利申请多个腿部结构只能进行抓地行走，缺乏其他的功能，对于结构仿生和行为仿生上比较失真。

技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提出了一种仿生虎纹捕鸟蛛，从结构仿生和行为仿生两个方面出发，一定程度上复现虎纹捕鸟蛛直线行进、转向的基本动作，并可应用在野外侦查领域在内的多种场景，具有仿生程度高，适应复杂地形，智能化程度高的特点。
6.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：
7.一种仿生虎纹捕鸟蛛，包括仿生躯干100；
8.在仿生躯干100的头部通过四个前驱动电机1、2、3、4连接有四个仿生前足,分别为a仿生前足11、b仿生前足12、c仿生前足13、d仿生前足14；
9.在仿生躯干100的胸部连接四条仿生后足，分别为a仿生后足15、b仿生后足16、c仿生后足17、d仿生后足18，具体为：仿生躯干100通过两个相同的后驱动电机，分别为a后驱动电机5、b后驱动电机6，分别连接躯干两侧的其中一条仿生后足，同一侧的两条仿生后足通过传动连接；
10.在仿生躯干100的最前端还设置有仿生螯肢19；
11.在仿生躯干100的后端设置有仿生纺器20。
12.所述的仿生躯干100整体呈椭圆形；四个仿生前足和四个仿生后足在头胸部上方
呈椭圆形分布并关于仿生躯干的中轴线对称。
13.所述的四个前驱动电机1、2、3、4均放置于仿生躯干100上方，平行于仿生躯干100中轴线方向对称布置。
14.所述四个仿生前足采用蜗轮蜗杆联动反四边形机构，以c仿生前足13为例，包括与前驱动电机3相连的蜗杆61，蜗杆61与蜗轮62配合连接，蜗轮62通过连接件36与仿生前足舵机7固定相连，仿生前足舵机7与前腿节38相连，前腿节38通过铰链与胫节39相连，胫节39再通过连杆37与连接件36相连，胫节39连接仿生前足跗节40，仿生前足跗节40底端贴有防滑垫与地面接触起支撑作用。
15.所述四个仿生后足采用曲柄摇块联动八杆机构，以c仿生后足17为例，包括与a后驱动电机5相连的联轴器64，联轴器64连接曲柄30，曲柄30通过a连接件32连接a连杆22，a连杆22穿过轴承31与b连接件33一端固连，b连接件33另一端同时还连接d连杆25的一端；轴承31通过c仿生后足连接件34与b连杆23连接，b连杆23另一端与c连杆24相连，c连杆24的另一端连接在d连杆25上，同时d连杆25的另一端与后腿节27连接；e连杆26同时连接c连杆24、后腿节27和后胫节28，后腿节27与后胫节28通过铰链在杆端相连；后胫节28末端连接仿生后足跗节35，仿生后足跗节35底端贴有防滑垫与地面接触起支撑作用。
16.所述的仿生螯肢19采用电磁铁瞬控死点四杆机构，包括与仿生躯干100相连的导轨43，在导轨43上设置变速箱42，变速箱42由触肢电机41驱动，变速箱42上设置触肢45，在导轨43纵向的杆上安装有a电磁铁44与b电磁铁47， a电磁铁44与b电磁铁47之间通过弹簧29连接，a电磁铁44横向连接滑块48，滑块48通过铰链50连接 f连杆49，f连杆49连接螯肢46。
17.所述仿生纺器20包括与仿生躯干相连的仿生纺器舵机55, 仿生纺器舵机55通过u型件54、c仿生纺器连接件53与载物台51连接，载物台51下固定空气压缩器52，载物台51上方固定储水器56，储水器56与空气压缩器52通过软管相连，储水器56通过软管与电磁阀58相连。
18.本实用新型的优点：
19.1、四个仿生后足基于自由度的联动，创新性的使用曲柄摇块联动八杆机构，将每一个电机的回转运动输出成了两条步足周期性的上抬下落和前后摆动，实现了单自由度下的空间三维运动，并且合理选择连杆曲线，完整复现了捕鸟蛛的步足轨迹；此外，局部死点位置的巧妙设计大大提高了整条步足的承重能力。
20.2、仿生前足设计2个最小运动单元分别驱动，在前后摆动关节，分别使用蜗轮蜗杆来保证转向的自锁、使用电键半闭环反馈来稳定每条腿的相位；在舵机抬落关节设计反四边形结构，保证腿节和胫节一致转动方向的同时，输出了更大跨距的水平位移。
21.3、仿生螯肢19部分，利用电磁铁控制的瞬时性，复现了捕鸟蛛捕食猎物时迅如发矢的特点，同时又在夹紧位置设计死点，以提高抓取目标的可靠性。
22.4、本实用新型一定程度上复现了虎纹捕鸟蛛的形体特征和基本运动姿态，也可将视觉系统、行进系统与仿生螯肢和仿生纺器相结合，完成诸如野外侦查、远地取样等任务，具有较高的推广意义和广阔的应用前景。
附图说明
23.图1是本实用新型的整体二维俯视图。
24.图2是本实用新型的仿生躯干100主体左视图。
25.图3是本实用新型的后腿17的左视图。
26.图4是本实用新型的螯肢19的俯视图。
27.图5是本实用新型的螯肢19的左视图。
28.图6是本实用新型的蜘蛛腹部的左视图。
29.图7是本实用新型的a仿生前足11的左视图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本实用新型做详细叙述。
31.参照图1，一种仿生虎纹捕鸟蛛。，包括仿生躯干100；
32.在仿生躯干100的头部通过四个前驱动电机1、2、3、4连接有四个仿生前足；
33.在仿生躯干100的胸部连接四条仿生后足，通过两个相同的a后驱动电机5、6分别连接躯干两侧的其中一条a仿生后足15、16，同一侧的两条仿生后足通过链条联动传动，如a仿生后足15、17通过链条联动传动；另一侧的两个b仿生后足16、18也通过链条联动传动。链条联动传动也可采用齿轮、刚性联动传动或其它联动传动代替。
34.在仿生躯干100的最前端还设置有仿生螯肢19；
35.在仿生躯干100的后端设置有仿生纺器20。
36.所述的仿生躯干100整体呈椭圆形；四个仿生前足和四个仿生后足在头胸部上方呈椭圆形分布并关于仿生躯干的中轴线对称。
37.所述的四个前驱动电机1、2、3和4均放置于仿生躯干100上方，平行于仿生躯干100中轴线方向对称布置。
38.所述仿生躯干100整体布置情况：
39.所述的仿生躯干100整体长宽比为19:13；在头胸部中，a仿生前足11、b仿生前足12相距110mm，b仿生前足12、d仿生前足14相距94mm（a仿生前足11、c仿生前足13同理），d仿生前足14和b仿生后足16相距90mm（c仿生前足13和a仿生后足15同理），b仿生后足16、18相距65mm（a仿生后足15、c仿生后足17同理），c仿生后足17、d仿生后足18相距65mm。
40.参照图2、图7，所述四个仿生前足采用蜗轮蜗杆联动反四边形机构，以c仿生前足13为例，包括与前驱动电机3相连的蜗杆61，蜗杆61与蜗轮62配合连接，蜗轮62通过连接件36与仿生前足舵机7固连相连，仿生前足舵机7与前腿节38相连，c仿生前足13通过前驱动电机3驱动蜗杆61带动蜗轮62，仿生前足舵机7转动带动前腿节38上下摆动，前腿节38通过铰链与胫节39相连，胫节39再通过连杆37与连接件36相连，胫节39连接仿生前足跗节40，仿生前足跗节40底端贴有防滑垫与地面接触起支撑作用，由于连杆37的限制而向仿生躯干100方向收缩，从而完成了仿生前足的前后摆动与抬落过程。使仿生前足整体在水平面上向前摆动。其余三个仿生前足a仿生前足11、b仿生前足12、d仿生前足14与c仿生前足13结构相同，也是分别通过舵机8、9、10实现上下抬落功能。
41.a仿生前足11胫节39部分长290mm，前腿节38部分长100mm，连杆37长150mm，仿生前足跗节40部分长70mm；跗节40为弹簧控制的自适应性铰链机构，仿生前足跗节40底端贴有
防滑垫以模仿蜘蛛足尖的刚毛；根据蜘蛛在运动过程中的受力情况不同，仿生前足和仿生后足的跗节有一定区别；由于蜘蛛前足受力较小，前足跗节与地接触面积较小，因此选用刚度较大的弹簧使跗节与地面为线接触；同理，由于蜘蛛后足受力较大，跗节与地接触面积较大，选用刚度较小的弹簧使跗节与地面为面接触。
42.参照图2、图3，所述仿生后足采用曲柄摇块联动八杆机构，以c仿生后足17为例，包括与a后驱动电机5相连的联轴器64，联轴器64连接曲柄30，曲柄30通过a连接件32连接a连杆22，a连杆22穿过轴承31与b连接件33一端固连，b连接件33另一端同时还连接d连杆25的一端；轴承31通过c仿生后足连接件34与b连杆23连接，b连杆23另一端与c连杆24相连，c连杆24的另一端连接在d连杆25上，同时d连杆25的另一端与腿节27连接；e连杆26同时连接c连杆24、后腿节27、后胫节28，后腿节27与后胫节28通过铰链在杆端相连；后胫节28末端连接仿生后足跗节35，仿生后足跗节35底端贴有防滑垫与地面接触起支撑作用。四个仿生后足每侧分别通过a后驱动电机5、6通过联轴器与仿生躯干相连，其中同侧的仿生后足的曲柄30通过链条联动，四个曲柄与头胸部中轴线对称。
43.c仿生后足17的a连杆22长110mm，b连杆23长30mm，c连杆24长70mm，d连杆25长50mm，e连杆26长120mm，后腿节27长205mm，后胫节28长120mm，后腿跗节部分长70mm。。
44.a后驱动电机5带动曲柄30转动半个周期，输出在水平面上的摆动和沿轴承方向的位移，使轴承31绕轴旋转，b连接件33由于a连杆22的位移而沿轴承方向收回，联动d连杆25同时带动后腿节27沿躯干方向收缩；b连杆23和c连杆24由于b连接件33的位移也向躯干方向收缩，联动c连杆24和后胫节28的e连杆26在后腿节28和c连杆24的带动下带动后胫节28收缩，实现了蜘蛛仿生后足的收缩和抬起两个过程；在a后驱动电机5带动曲柄30再转动半个周期后，仿生后足依据上述流程实现向外伸展和放下两个过程。
45.调整两条仿生后足的相位，使两条步足曲柄相差半个周期，从而实现两条仿生后足交替进行摆动和抬落，实现对蜘蛛仿生后足基本运动的仿生。
46.参照图4、图5，所述的仿生螯肢19采用电磁铁瞬控死点四杆机构，包括与仿生躯干100相连的导轨43，在导轨43上设置变速箱42，变速箱42由触肢电机41驱动，变速箱42上设置触肢45，触肢电机41由变速箱42减速后带动触肢45在导轨43上于水平方向进行移动，实现蜘蛛的探路功能；在导轨43纵向的杆上安装有a电磁铁44与b电磁铁47， a电磁铁44与b电磁铁47之间通过弹簧29连接，a电磁铁44横向连接滑块48，滑块48通过铰链50连接 f连杆49，f连杆49连接螯肢46；滑块48在导轨43纵向的杆上滑动；死点位置由铰链50控制；a电磁铁44工作后，滑块48将被弹簧29迅速拉至死点位置，带动螯肢46将猎物捕捉，使其无法挣脱；还可以在螯肢前端搭载摄像头用以辅助视觉识别系统进行决策。
47.参照图6，所述仿生纺器20包括与仿生躯干100相连的仿生纺器舵机55, 仿生纺器舵机55通过u型件54、c仿生纺器连接件53与载物台51连接，载物台51下固定空气压缩器52，载物台51上方固定储水器56，储水器56与空气压缩器52通过软管相连；储水器56通过软管与电磁阀58相连，控制水的输出；在储水器56上方配有弯杆57用以模仿蜘蛛腹部的外形起保护作用。
48.本实用新型的工作技术原理为：
49.1、初始状态：
50.四只仿生前足呈椭圆形分布分别被安装在仿生躯干100前端，仿生后足转轴座29
与仿生躯干100后端固连，仿生后足a连杆22终端的a连接件32与齿轮30圆周上的圆孔铰接，a仿生后足15和c仿生后足17的相位差为；仿生前足蜗轮62与仿生躯干安装的蜗杆61相配合。
51.2、装置复位：
52.仿生后足a后驱动电机5运动，通过转轴带动齿轮30转动，齿轮30通过齿条带动齿轮65同频转动，齿轮30和齿轮65分别带动a仿生后足15和c仿生后足17同频运动，当a仿生后足15和c仿生后足17夹角处于最小位置处，此时a仿生后足15和c仿生后足17已到达运动初始位置。
53.仿生后足b后驱动电机6运动，通过转轴带动齿轮30转动，齿轮30通过齿条带动齿轮65同频转动，齿轮30和齿轮65分别带动b仿生后足16和d仿生后足18同频运动，当b仿生后足16和d仿生后足18夹角处于最小位置处，此时b仿生后足16和d仿生后足18已到达运动初始位置。
54.仿生前足舵机7转动，带动a仿生前足11前腿节38向上抬起，同时通过连杆37向上旋转使胫节向外伸出，当仿生前足跗节39与仿生后足跗节35位于同一高度，此时仿生前足抬升高度处于初始运动位置。同样调节仿生前足12、13、14的抬升高度至初始位置。
55.仿生前足驱动电机1运动，带动蜗杆61转动，蜗杆61与蜗轮62配合使其在仿生躯干100平面内转动，蜗轮62与仿生前足连接件36固连带动仿生前足前后摆动进行复位。当a仿生前足11与限位电键59接触并使其闭合，此时a仿生前足11运动至初始运动位置。同样调节仿生前足12、13、14至初始相位。
56.螯肢处电磁铁44通电后产生吸力，将滑块48与电磁铁紧紧吸附在一起，使前端螯肢46抬起，等待抓取猎物。
57.3、直行步态：
58.仿生后足a后驱动电机5顺时针转动，齿轮30转动带动a仿生后足15摆动，使其向前摆动同时后腿节27抬升，后胫节28向外伸出；同时齿轮65转动带动c仿生后足17摆动，使其向后摆动同时后腿节27下落，后胫节28向内收回。
59.仿生后足b后驱动电机6逆时针转动，齿轮30转动带动b仿生后足16摆动，使其向后摆动同时后腿节27下落，后胫节28向内收回；同时齿轮65转动带动d仿生后足18摆动，使其向前摆动同时后腿节27抬升，后胫节28向外伸出。
60.前驱动电机1、2持续转动实现仿生后足的往复摆动。
61.仿生前足前驱动电机1、4逆时针转动，带动蜗轮62顺时针旋转，a仿生前足11、d仿生前足14向前运动，此时仿生前足舵机7、10顺时针加速转动，带动前腿节38抬起，同时连杆带动胫节39外伸；当前腿节38抬起至接近最高位置处时，仿生前足前驱动电机1、4继续逆时针转动，仿生前足舵机7、10顺时针减速转动；当仿生前足舵机7、10减速到0时，开始逆时针加速转动；当a仿生前足11、d仿生前足14向前运动至与限位电键59、60接触并使其闭合时，前驱动电机1、4开始顺时针转动，带动仿生后足向后摆动，当仿生前足11、14与限位电键59、60接触并使其闭合时，a仿生前足11、d仿生前足14完成一个周期的运动。
62.仿生前足前驱动电机2、3顺时针转动，带动蜗轮62逆时针旋转，b仿生前足12、c仿生前足13向前运动，此时舵机8、9逆时针加速转动，带动前腿节38下落，同时带动胫节39回收；当前腿节38下落至接近最低位置处时，仿生前足前驱动电机2、3继续顺时针转动，舵机
8、9顺时针减速转动；当舵机8、 9减速到零时，开始顺时针加速转动；当b仿生前足12、c仿生前足13向前运动至与限位电键59、60接触并使其闭合时，前驱动电机2、3开始顺时针转动，带动仿生后足向后摆动，当b仿生前足12、c仿生前足13与限位电键59、60接触并使其闭合时，b仿生前足12、c仿生前足13完成一个周期的运动。
63.此后按照同样规律实现仿生前足配合仿生后足的往复摆动，实现蜘蛛的前进步态。
64.4、转弯步态：
65.与直行步态工作原理相似，当复位状态时，仿生后足a后驱动电机5逆时针，仿生后足b后驱动电机6逆时针转动，仿生前足前驱动电机1、4顺时针转动，仿生前足舵机7、10逆时针加速转动，仿生前足前驱动电机2、3逆时针转动，舵机8、9顺时针加速转动，实现蜘蛛的左转步态。
66.当复位状态时，仿生后足a后驱动电机5顺时针，仿生后足b后驱动电机6顺时针转动，仿生前足前驱动电机1、4逆时针转动，仿生前足舵机7、10顺时针加速转动，仿生前足前驱动电机2、3顺时针转动，舵机8、9逆时针加速转动，实现蜘蛛的右转步态。
67.5、进攻姿态：
68.当头部摄像头检测到蛛网和天敌时，电机停止运动，仿生前足舵机7、8顺时针转动，带动前腿节38抬升，通过连杆37带动胫节39外伸，摆出进攻姿态。
69.6、螯肢抓取：
70.触肢电机41转动，通过减速箱42减速使42沿导轨43前后运动，复现蜘蛛捕食前通过触肢向前试探的动作；电磁铁44断电，滑块48在弹簧拉力的作用下沿导杆迅速上升达到死点位置，通过螯肢46实现抓取动作。
71.7、腹部“吐丝”（液体发射）：
72.空气压缩器52工作，将空气通过软管压入储水器56，使缸内气压升高，水通过软管输送到电磁阀58处，电磁阀58工作，则水从此处流出。仿生纺器舵机55连接仿生躯干与腹部整体，实现液体发射模块发射液体的多角度性。
73.本文复现了虎纹捕鸟蛛的形体特征和一些基本运动姿态，实现了仿生设计的基本目标，在更高层面上实现了对于捕鸟蛛的习性与行为特征的模仿。在应用层面，本实用新型可在复杂地形进行地质勘察、收集信息等活动，并通过两大功能模块实现液体发射、样本采集、物资运输功能，有望在山火抢险、战略物资运输等领域广为应用，节约野外作业的时间与人力成本。

技术特征：

1.一种仿生虎纹捕鸟蛛，其特征在于，包括仿生躯干(100)；在仿生躯干(100)的头部通过四个前驱动电机（1、2、3、4）连接有四个仿生前足,分别为a仿生前足（11）、b仿生前足（12）、c仿生前足（13）、d仿生前足（14）；在仿生躯干(100)的胸部连接四条仿生后足，分别为a仿生后足（15）、b仿生后足（16）、c仿生后足（17）、d仿生后足（18），具体为：仿生躯干(100)通过两个相同的后驱动电机，分别为a后驱动电机（5）、b后驱动电机（6），分别连接躯干两侧的其中一条仿生后足，同一侧的两条仿生后足通过传动连接；在仿生躯干（100）的最前端还设置有仿生螯肢（19）；在仿生躯干（100）的后端设置有仿生纺器（20）。2.根据权利要求1所述的一种仿生虎纹捕鸟蛛，其特征在于，所述的仿生躯干（100）整体呈椭圆形；四个仿生前足和四个仿生后足在头胸部上方呈椭圆形分布并关于仿生躯干的中轴线对称。3.根据权利要求1所述的一种仿生虎纹捕鸟蛛，其特征在于，所述的四个前驱动电机（1、2、3、4）均放置于仿生躯干（100）上方，平行于仿生躯干（100）中轴线方向对称布置。4.根据权利要求1所述的一种仿生虎纹捕鸟蛛，其特征在于，所述四个仿生前足采用蜗轮蜗杆联动反四边形机构，以c仿生前足（13）为例，包括与驱动电机（3）相连的蜗杆（61），蜗杆（61）与蜗轮（62）配合连接，蜗轮（62）通过连接件（36）与仿生前足舵机（7）固定相连，仿生前足舵机（7）与前腿节（38）相连，前腿节（38）通过铰链与胫节（39）相连，胫节（39）再通过连杆（37）与连接件（36）相连，胫节（39）连接仿生前足跗节（40），仿生前足跗节（40）底端贴有防滑垫与地面接触起支撑作用。5.根据权利要求1所述的一种仿生虎纹捕鸟蛛，其特征在于，所述四个仿生后足采用曲柄摇块联动八杆机构，以c仿生后足（17）为例，包括与后驱动电机（5）相连的联轴器（64），联轴器（64）连接曲柄（30），曲柄（30）通过a连接件（32）连接a连杆（22），a连杆（22）穿过轴承（31）与b连接件（33）一端固连，b连接件（33）另一端同时还连接d连杆（25）的一端；轴承（31）通过c仿生后足连接件（34）与b连杆（23）连接，b连杆（23）另一端与c连杆（24）相连，c连杆（24）的另一端连接在d连杆（25）上，同时d连杆（25）的另一端与后腿节（27）连接；e连杆（26）同时连接c连杆（24）、后腿节（27）和后胫节（28），后腿节（27）与后胫节（28）通过铰链在杆端相连，后胫节（28）末端连接仿生后足跗节（35），仿生后足跗节（35）底端贴有防滑垫与地面接触起支撑作用。6.根据权利要求1所述的一种仿生虎纹捕鸟蛛，其特征在于，所述的仿生螯肢（19）采用电磁铁瞬控死点四杆机构，包括与仿生躯干(100)相连的导轨（43），在导轨（43）上设置变速箱（42），变速箱（42）由触肢电机（41）驱动，变速箱（42）上设置触肢（45），在导轨（43）纵向的杆上安装有a电磁铁（44）与b电磁铁（47）， a电磁铁（44）与b电磁铁（47）之间通过弹簧（29）连接，a电磁铁（44）横向连接滑块（48），滑块（48）通过铰链（50）连接 f连杆（49），f连杆（49）连接螯肢（46）。7.根据权利要求1所述的一种仿生虎纹捕鸟蛛，其特征在于，所述仿生纺器（20）包括与仿生躯干相连的仿生纺器舵机（55）, 仿生纺器舵机（55）通过u型件（54）、c仿生纺器连接件（53）与载物台（51）连接，载物台（51）下固定空气压缩器
（52），载物台（51）上方固定储水器（56），储水器（56）与空气压缩器（52）通过软管相连，储水器（56）通过软管与电磁阀（58）相连。

技术总结

一种仿生虎纹捕鸟蛛，在仿生躯干的头部连接有四个仿生前足；在仿生躯干胸部连接有四个仿生后足；在仿生躯干A的最前端还设置有仿生螯肢；在仿生躯干A的后端设置有仿生纺器；所述仿生躯干采用类椭圆布置，模仿了野生虎纹捕鸟蛛真实的整体外观；所述仿生步足分为曲柄摇块联动八杆机构仿生后足和蜗轮蜗杆联动反四边形仿生前足，分别使用不同的仿生设计原理，实现对应所需的仿生目标设计需求；所述仿生螯肢采用了自主设计的电磁铁瞬控死点四杆机构，可靠迅捷地完成捕食动作；所述液体发射模块采用气压控制并可在竖直方向上调整喷射角度，增大其液体发射范围。其液体发射范围。其液体发射范围。