作品展示

本项目基于鸟类颈部的空间非线性超冗余多关节结构，设计了一种仿鸟颈机械臂结构，可实现集局部小位移为整体弯屈扭转大位移，为降低采摘损伤率，提高农业生产效率提供参考。 本项目主体结构采用多个马鞍状仿生关节结构连接组成，马鞍状仿生关节结构设计参考鹅颈空间三维结构和马鞍状关节接触特征。关节结构尺寸分别以鹅颈椎椎骨关节突间宽度，中心宽度，及腹侧中心长度的比例关系为参照。然后，通过双平面X光系统采集鸟颈运动学数据，分析每个关节的运动范围，区间大小，转角速率/斜率。建立仿鸟颈机械臂D-H模型，根据D-H参数表，通过正向运动学推导末端执行器的齐次位姿矩阵，通过逆运动学反推出各个关节角度的表达式，实现机器人控制策略研究。

1. 马鞍状仿生关节结构设计。根据鹅颈椎的CT扫描成像构建鹅颈椎的三维几何物理模型，根据三维几何物理模型的结构特征设计了马鞍状仿生关节结构。 2. 运动控制设计。利用双平面X采集鸟颈的运动学数据，通过对鸟颈的运动数据分析构建D-H模型，通过正运动学推导齐次位姿矩阵，逆运动学反推各关节角度，建立机器人运动学模型。

研究表明，鸟类颈部在长期自然选择过程中，进化出的颈脊尾机构，是一种空间非线性超冗余多关节结构，集局部小位移为整体弯屈扭转大位移。鸟类在飞行时，翅膀限制了前肢功能的多样性，啄食、取物等动作都由嘴部进行，鸟颈就代替了手臂的功能，颈部能够带动头部运动，也可以保持头部稳定。现有针对鸟类颈部运动机理的研究，多从头部骨骼肌肉、神经系统、视觉反馈、遗传进化学、传感感知等方面进行，然而，鸟类颈部具有特殊的关节结构和组织材料特征，这是其特有运动功能展现的物质基础，目前从鸟类颈部结构特性和运动特性角度来研究其运动机理的研究相对较少。本项目通过CT扫描成像构建鹅颈椎的三维几何物理模型，通过双平面X光系统采集鸟颈的运动学数据。基于鹅颈椎三维模型分析鹅颈椎结构特征，设计仿鸟颈机械臂的仿生关节结构。基于双平面X光运动数据分析结果，完成仿鸟颈机械臂的控制策略设计。

农业采摘作业面临作业区域狭小、障碍物较多、作业空间复杂等问题，传统的采摘机器人在进行采摘作业时会遇到灵活性不足、避障效果不佳等困难，导致难以采摘被叶、茎遮挡的果实。仿鸟颈机械臂可为解决被遮挡果实的采摘问题提供新思路，为机器人降低采摘损伤率，提高农业生产效率提供新方案。