论文总字数：20963字

摘 要

当今机器人技术发展迅猛，各式各样的机器人层出不穷，机器人需要面对的场合也更加复杂多样，一些执行探测、侦察、搜索以及反恐等任务的机器人需要从高处抛下才能执行后续的任务，所以需要给机器人配置减震机构，以保护机器人在着陆过程中被冲击力损坏。而在自然界中，有许多动物具有从高处着陆的本领，本文将从仿生学知识出发，研究具有高处着陆本领的几个典型动物的高性能减震身体结构，并以这些动物为生物原型，运用仿生学的研究方法设计一个用于帮助机器人安全着陆的仿生折叠减震机构（后文简称为仿生着陆器）。

首先，本文对猫、鸟类、蝗虫三种生物原型的身体构造进行了研究，找到其中有利于减震缓冲的结构，分析其优良减震性能的原因。

其次，将原生物模型简化为数学模型，结合机械设计理论进行总体方案设计，同时，对减震机构的各零部件进行设计和强度校核，确定仿生着陆器的整体机构设计方案，并运用SolidWorks进行三维建模。

最后，根据三维模型绘制各零件二维加工图纸，做出物理实物模型，进行高抛带载实验，验证该机构的减震性能，并根据实验结果分析该机构的问题和需要改进之处，提出关于该减震机构进一步研究的建议与展望。

关键词：仿生学、折叠减震机构、动力学分析、减震性能分析

Abstract

With the rapid development of robot technology, the more robots be made, the more complicated situation they face. Some robots that perform tasks such as detection, investigation, search, and counter-terrorism need to be dropped from the air to finish their works. It is necessary to configure a damping mechanism for the robots to protect them from impact damage during landing. In nature, there are many animals that have the ability to land from heights. This paper researched the high-performance shock absorbing body structures of several typical animals with high landing skills based on the knowledge of bionics. With bionic research methods, this paper designed a bionic lander to help robots safely land by using these animals as biological prototypes.

Firstly, this paper studied the body structure of cat, bird and aphid, found the structure which is helpful for shock absorption and analyzed the reason of its excellent shock absorption.

Secondly, the original biological model was simplified into a mathematical model, and the overall design was made by combined with the mechanical design theory. The paper accomplished the design of parts of the shock absorption mechanism and their strength check, and the overall mechanism design of the bionic lander was determined. Then the three-dimensional model was established by using SolidWorks.

Finally, according to the three-dimensional model, author drawn the CAD drawings of components and made a physical model. Experiment of throwing from height was finished and verified the damping performance of the mechanism. Furthermore, the paper analyzed the problems of the organization and given some suggestions and prospects for further research on this damping mechanism.

KEY WORDS: Bionics; Folding shock absorption mechanism; Dynamic analysis; Shock absorption performance analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 仿生学概述 1

1.2 动物身体的优良缓冲特性 1

1.2.1 猫的缓冲保护身体结构 1

1.2.2 鸟类腿部缓冲特性 3

1.2.3 蝗虫腿部缓冲特性 4

1.3 选题背景与研究意义 5

1.4 仿生减震机构的研究现状 6

1.5 论文主要研究内容 7

第二章 仿生着陆器的初步方案设计 8

2.1 仿生着陆器的设计基本要求 8

2.2 仿生着陆器设计方案的制定 8

2.3 仿生着陆器的结构特点 13

第三章 仿生着陆器的运动分析与三维建模 15

3.1 仿生着陆器的动力学分析 15

3.2 强度校核及截面尺寸的确定 20

3.3 基于SolidWorks建立三维模型 22

第四章 仿生着陆器实物及减震效果分析 27

4.1 仿生着陆器实物 27

4.2 抛掷实验设计 28

4.3 实验结果分析 28

第五章 总结与展望 31

5.1 本文工作总结 31

5.2 仿生减震机构的未来展望 31

致谢 32

参考文献 33

绪论

仿生学概述

仿生学（Bionics）是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科。它的目的是研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，使工程技术的开发获得新启发，为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成^[1]。生物经过数亿年的遵循“物竞天择、自我淘汰”的进化，已经在自身机构、形状、生活原理、行为等方面趋于十分完善。仿生学即富有创新性，又具有很强的应用性，当今所有人类科学技术，无一不能从生物中找到联系或起源，而且生物界一直并且也将继续不断散发启迪之光。Bionics是美国人斯蒂尔在1960年由拉丁文变形得来的，并在同年召开了美国第一届仿生学讨论会，这标志着现代仿生学的开端。

仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及其产生原理，并将生物原型简化，再运用于新技术设备的设计与制造。它的研究内容广泛，主要包括电子仿生、控制仿生、机械仿生、化学仿生和医学仿生^[2]。其中机械仿生是模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械，包括模仿动物的走、跑、跳、飞、游等运动，运用机械结构和力学原理，寻求某种机械装置的最佳设计方案。

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