仿生蛇嘴的机构原理与设计
刘子娟，费健，付庄，阎维新，赵言正
(1. 上海交通大学 机械系统与振动国家重点实验室，上海，200240；
2. 上海交通大学 医学院附属瑞金医院，上海，200240；
3. 哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨，150080)
摘要：仿生蛇嘴机构的设计以实现蛇嘴的张开咬合以及吞食动作为目标，根据蛇嘴的解剖学原理，通过仿生学与工程实际相结合，将蛇嘴的复杂运动简化为3个基本运动。通过建立运动模型对仿生蛇嘴机构进行运动学分析，选择合适的机构几何参数建立仿生蛇嘴的模型，实现了预期的蛇嘴运动模式。
关键词：仿生机构；蛇嘴；运动学分析
中图分类号：TH113 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)S1-0478-05
Mechanical principle and design of bionic snake mouth
LIU Zi-juan, FEI Jian, FU Zhuang, YAN Wei-xin, ZHAO Yan-zheng
(1. State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
2. Ruijin Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, Shanghai 200240, China;
3. State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)
Abstract: To realize open bite and swallows movements of the snake mouth. Bionic snake mouth mechanism was designed based on the anatomy of snake mouth and the combination of bionics and engineering, and the motion of snake mouth was divided into three basic movements. Mechanism kinematic analysis was made and linkage parameters were determined for implementing the motion of snake mouth．Then the virtual model was made and the desired motion was realized.
Key words: bionic mechanism; snake mouth; kinematic analysis
仿生学是模仿生物建造技术装置的科学，是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。在自然界漫长的进化过程中，生物体不断适应自然而发展了独特的结构、功能和运动模式，1960年，美国科学家Steel J. E.创立了仿生学。从仿生学诞生、发展至今短短几十年时间里，生物体的精巧结构、运动原理和行为方式等已成为机器人学有意模仿的对象[1]。其中，爬行类动物蛇在漫长的进化过程中为了适应外界条件而生存, 形态上发生了许多变化。从工程观点来看，蛇类机体结构有着非常新颖的功能特性。目前对蛇的仿生研究主要集中在蛇的无肢运动方面，日本东京大学的Hirose教授从仿生学的观点研究蛇行机器人，在1972年研制了第1台蛇形机器人样机[2]。蛇嘴能够张大到吞下自身几倍的猎物，通常人类只能张大到30°，而蛇嘴却能张大到150°，因此对蛇嘴仿生机构的研究具有重要的科研与应用意义。而动物解剖学和机构运动学的相关研究进展为仿生蛇嘴的研究提供了理论基础和研究方法。
1 仿生蛇嘴的机构原理
1.1 蛇嘴的解剖学原理
蛇类颚部的骨骼与其他动物相比存在很大不同，蛇类颚部骨骼的特殊性使得蛇嘴能扩张3倍。蛇头部与下颚连接的方形骨、翼状骨、外翼状骨可以相对运动,这使得蛇类的下颚可以向下张开到很大范围，一般可达到150°以上。而且组成颚部侧面的骨骼不在前部合为一体，而是通过肌肉和韧带组织相连，使得下颚的左右两侧部分可以分离并彼此独立地移动。因此蛇嘴不但上下可以张得很开，而且左右也不受限制，这使得蛇的颚部具有前到后、侧到侧的灵活性。上颚通过方骨连接到下颚，方骨的作用类似于一个双关节铰链，下颚则可以脱位，使口腔能够扩张到很大的范围。
蛇嘴骨骼的这种相对松散的关节连接方式，使蛇嘴具有很大的灵活性，从而蛇可以灵活地吞下猎物。蛇嘴主要靠连接其上的韧带、关节以及肌肉组织的协调控制来实现各类复杂运动[3]。如图1所示为蛇头部的骨骼解剖示意图。
图1 蛇头部骨骼解剖示意[4]
Fig.1 Morphology of snake skull elements
蛇的头部骨骼可以在一定范围内绕脊柱前端旋转，组成蛇头部的各部分骨骼相对运动，上颚各骨骼组成一个闭环的连杆机构，下颚与上颚的运动相对独立。Kardong等[5]以具有代表性的响尾蛇作为研究对象，将蛇嘴的骨骼抽象为一个通过各关节铰接的连杆机构，如图2所示。
图2 响尾蛇蛇嘴机构模型
Fig.2 Mechanism of Rattlesnake mouth
当蛇嘴张开时，头部向上抬起，方骨上端向后旋转，使上颚部分抬起，尖牙向外伸出，同时下颚向下张开。当咬住猎物后，蛇嘴的左右两侧的颚轮流运动，一边的颚咬住猎物，另一边的颚则向上张开，利用倒钩状的牙齿将猎物拖拽进入口中，如此反复，将猎物吞入腹中。另外，蛇两侧的下颚前部连接部分是由肌肉和韧带组织相连的，在吞食猎物时连接部分可以分开，以扩大蛇嘴的宽度。由于蛇嘴各部分骨骼的连接在一定程度上具有松散性，并且包围蛇嘴蛇身的蛇皮具有很大的弹性，所以蛇的嘴能够张开很大并且能够吞下比蛇嘴自身大很多的猎物。
1.2 仿生蛇嘴的设计目标
仿生蛇嘴的设计目标是实现蛇嘴吞食猎物的运动形式，而自然界蛇的种类繁多，蛇嘴结构复杂多样，通过仿生学与工程实际相结合，取蛇嘴的主要功能，选用响尾蛇作为仿生对象具有代表性，可将蛇嘴的吞食运动分为2个阶段：第1阶段为蛇嘴从张开到咬住猎物的阶段；第2阶段为蛇嘴从咬住猎物到将猎物吞下的阶段。第1阶段主要为蛇嘴的张开与咬合运动，蛇的下颚向下张开，同时方形骨相对翼状骨张开，以使尖牙抬起，咬住猎物；第2阶段即吞食阶段则主要为蛇将猎物逐步吞入腹中的过程。
1.3 仿生蛇嘴的机构原理
针对仿生蛇嘴的设计目标及约束条件，在蛇嘴的生物形态学的理论基础上对蛇嘴的模型进行抽象简化，进行仿生蛇嘴的机构设计。仿生蛇嘴的机构包括两部分：上颚部分和下颚部分。
上颚部分可看作是一个闭环的连杆机构，在图2中，2，5，7，8对实现上颚的主要运动影响不大，于是将蛇嘴上颚模型简化为一个两侧对称的铰链四杆机构。图3所示为仿生蛇嘴的机构图。对称四连杆机构由杆4通过铰接点D以及D1点固连脊柱，固连点抬起带动上颚4抬起，摇杆1作为驱动输入，通过摇杆1的绕旋转中心的摆动带动杆2和3的运动，实现蛇嘴上颚尖牙的张开与咬合，通过尖牙的运动，带动猎物被送入，最终实现蛇嘴吞物运动。
图3 仿生蛇嘴机构图
Fig.3 Mechanism of bionic snake mouth
下颚部分由杆5通过转动副E与杆1相连，以实现下颚的张开与闭合功能，杆5与杆6通过与转动副E轴线垂直的转动副F相连，以实现蛇嘴下颚左右两侧的张开与闭合。蛇嘴的左右下颚在前端的连接由肌肉和韧带相连，必要时可以分开，使蛇嘴的侧向张开更大。由于机械连接实现可分一般比较困难，这里采用连杆机构来代替可分以实现下颚在一定范围内的侧向展开与收回。下颚左右两侧为对称结构，前端中心由M转动副连接。
2 机构运动学分析
仿生蛇嘴上颚4的曲柄摇杆四杆机构杆1的摆动输入角为β1，摆动范围为φ尖牙点为C0，输出杆3的角度为β3，转动范围为θ。杆1作为驱动件，角速度为ω1，角加速度为ε1。机构的几何参数如图4所示。
图4 上颚曲柄摇杆机构几何参数
Fig.4 Parameters of the upper jaw mechanism
以铰接点D为原点建立仿生蛇嘴上颚坐标系，由图5所示几何关系建立运动学方程如下：
(1)
由式(1)可得
(2),(3)
其中
；
。
由式(2)求得β3后，即可求得尖牙点C1位置的变化规律，令杆1输入β1随时间的变化关系为：
(4)
式中：ω为常数，代入式(4)，可得到尖牙杆件夹角β3随时间的运动规律，对时间进行求导，可得到速度和加速的变化规律，进而尖牙点C0的运动规律也可求得。进一步对蛇嘴机构进行受力分析，可求得机构的动力学特性。
3 仿生嘴的机构模型
3.1 仿生蛇嘴机构参数
机构模型外观尺寸为285 mm×130 mm×65 mm，机构完全张开外观尺寸为235 mm×185 mm×270 mm。图5所示为仿生蛇嘴的机构模型。其中，上颚部分各个连杆的尺寸为l1=80 mm，l2=160 mm，l3=47.5 mm，l4=185 mm下颚杆长为l5=214 mm，l6=96 mm。摇杆输入角度范围为β1=30°~90°，上颚与下颚张开的最大角度为150°，下颚侧向展开最大距离为185 mm，上下颚张开最大距离为425 mm。
图5 仿生蛇嘴机构模型
Fig.5 Virtual model of bionic snake mouth mechanism
考虑仿生蛇嘴的小型化、运动空间和操作的灵活性，机构的各运动均采用钢丝牵引来实现。钢丝通过螺栓固定在运动杆件上，并通过起支撑作用的导轮和限位作用的螺栓，连接到远端的电机，通过电机的运转带动钢丝牵引机构实现运动。机构两侧为对称结构，两侧相同位置钢丝由同一电机控制，保证了运动的协调性。
3.2 仿生蛇嘴机构运动规律
杆1的摆动输入转速设为变化关系为
，
，由运动学分析可知β3，θ随时间的变化规律，图6所示为一个运动周期内角度和角速度的变化曲线。图中0~1 s为蛇嘴张开时间，1~2 s为停顿时间，2~3 s为蛇嘴闭合时间。
图6 角度和角速度随时间的变化
Fig.6 Variations of angular displacement and velocity of output link
由图6可知：杆3的运动范围约为130°，符合蛇嘴尖牙的运动原理。
3.3 机构参数优化
按照蛇嘴实际的尺寸，在保证机构不干涉的条件下，l3可取的尺寸为24~52 mm，由机构运动分析得出约束条件为：β1=30°时，β3＜180°，且β3尽量大；β1=90°时，β2+β3＜180°，且β3尽量小。在满足上述条件下要求杆3的角速度ω3波动最小。由图6(b)可知：随着杆件3尺寸的增大，角速度在张开和闭合过程中的变化趋于平稳。但随着尺寸增大，杆3的运动范围减小，表1所示为l3变化时β3的初始与极限角度以及角速度的最大波动值。
表1 杆3尺寸变化时对应角度、角速度
Table 1 Corresponding angular displacement and velocity of output link
综合各约束条件与运动平稳性，由表1可得到理想的机构参数为l3=47或l3=48 mm，取l3=47.5 mm，此时ω3的波动较小且保证了运动范围。
4 结论
通过分析蛇嘴的运动原理，设计仿生蛇嘴机构来实现蛇嘴的咬合与吞物运动，在运动学分析的基础上选择合适的机构几何参数，最终实现了较为理想的蛇嘴形式。本文所设计的蛇嘴机构的均由钢丝牵引实现各运动，具有结构简单、质量轻的优点，适于小型化，远程操作的场合。
参考文献：
[1] 王谷岩. 视觉与仿生学[M]. 上海: 知识出版社, 1985: 15-20.
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[2] Endo G, Togawa K, Hirose S. Study on self contained and terra in adaptive active cord mechanism[C]//Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems. Tokyo: IEEE, 1999: 111-117.
[3] Frazzetta T H. Studies on the morphology and function of the skull in the Aoidae (Serpentes).Part 11. Morphology and function of the jaw apparatus in Python sebae and Python molurus[J]. Morph, 1966, 118: 217-296.
[4] Skeleton of a venomous snake: head[DB/OL].Visual Dictionary Online.http://visual.merriam-webster.com/animal-kingdom/reptiles/snake/skeleton-venomous-snake-head.php.
[5] Kardong K V, Dullemeijer P, Fransen J A M. Feeding mechanism in the rattlesnake[J]. Amphibia-Reptilia,1986, 7: 271-302.
(编辑 赵俊)
收稿日期：2011-04-15；修回日期：2011-06-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61075086)；机械系统与振动国家重点实验室自主课题资助项目(MSV-MS-2010-03)；机器人技术与系统国家重点实验室开放研究项目(SKLRS-2010-ZD-06)
通信作者：费健(1972-)，男，江苏高邮人，副主任医师，从事普外科及医工交叉项目研究；电话：13701769798；E-mail：feijian@hotmail.com
