一种用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具

一种用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具
1.技术领域：本发明涉及一种教学演示用具，具体来说，是一种用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具。
2.技术背景：仿海马尾部结构的机械臂具有自由度多、柔顺性好、缠绕稳定等优点，可被用于太空环境下大型装备的搬运任务，在“机械原理”、“机器人学基础”等课程的教学中教师可对这种典型机械臂的的运动原理进行介绍。因该机械臂结构较为复杂，具有多种运动模式，介绍时若只使用图片教学的形式，学生对蛇形臂的内部结构与工作原理很难有一个清晰直观的认识。教师如果在讲授原理的同时辅以教具演示，可便于展示蛇形臂在不同状态下的的工作原理，使教学事半功倍；学生如果利用教具动手操作，也可以对其机构的运动原理有更深入的认识和理解，培养学生的创新设计能力。同时，模块化的教具也可由学生自主进行组装控制，培养学生的动手实践能力。


技术实现要素：

3.(1)设计方案
4.本发明提供了一种用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，具体包括机械臂外骨板、机械臂脊柱、弹簧连接件和驱动绳，其中机械臂外骨板、机械臂脊柱通过弹簧连接件相连，可划分成多组呈等比例缩放的节段，由驱动绳串联控制。
5.(2)本发明的优点
6.仿海马尾蛇形臂横截面为矩形，当采用弯曲缠绕的方式抓取物体时接触面较大，抓取稳定性好，使机械臂具有较强的承重能力；同时，仿生机械臂中的外骨板存在被动变形机制，只需要一个驱动即可实现对不规则物体的缠绕抓取，自适应性优良，控制简单。
7.蛇形臂机构因其优良的工作性能而具有广阔的应用前景，教师可通过对此教具辅助学生学习蛇形臂机构的工作原理，提升学生的学习动力、兴趣以及自主动手能力。
附图说明：
8.图1为仿生机械臂的整体结构示意图
9.图2为仿生机械臂外骨架的结构示意图
10.图3为外骨架第1节段的结构示意图
11.图4为第11号l型外骨板结构示意图
12.图5为外骨架第1节段与第2节段配合结构示意图
13.图6为第11、12号l型外骨板配合结构示意图
14.图7为仿生机械臂脊柱的结构示意图
15.图8为脊柱第1节段的结构示意图
16.图9为脊柱第1节段与第2节段配合结构示意图
17.图10为节段1的结构示意图
18.图11为仿生机械臂卷曲形成包络面的结构示意图
19.图12为外骨架第1节段滑动变形的结构示意图
20.图13为偏转状态下节段1与节段2的结构示意图
21.图14为偏转状态下节段1与节段2的局部结构示意图
22.图15为扭转状态下节段1与节段2的结构示意图
23.图16为扭转状态下节段1与节段2的局部结构示意图
24.图中：
25.1-仿生机械臂外骨架
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2-仿生机械臂脊柱
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3-驱动绳
26.4-弹簧连接件
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11-外骨架第1节段
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12-外骨架第2节段
27.13-外骨架第3节段
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14-外骨架第4节段
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15-外骨架第5节段
28.16-外骨架第6节段
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17-外骨架第7节段
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18-外骨架第8节段
29.19-外骨架第9节段
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21-脊柱第1节段
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22-脊柱第2节段
30.23-脊柱第3节段
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24-脊柱第4节段
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25-脊柱第5节段
31.26-脊柱第6节段
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27-脊柱第7节段
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28-脊柱第8节段
32.29-脊柱第9节段
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111-第11号l型外骨板
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112-第12号l型外骨板
33.113-第13号l型外骨板
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114-第14号l型外骨板
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1111-第11号内滑键
34.1112-第11号外滑槽
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1113-第11号减重孔
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1114-第11号内滑槽
35.1115-第11号外滑键
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1116-第11号滑动球面
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1117-第11号外骨板限位槽
36.1118-第11号外骨板弹簧基
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11111-第11号内滑键滑键臂
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11112-第11号内滑键滑键头
37.座
38.11121-第11号外滑槽滑道
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11122-第11号外滑槽口
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11141-第11号内滑槽口
39.11142-第11号内滑槽滑道
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11151-第11号外滑键滑键臂
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11152-第11号外滑键滑键头
40.11161-第11号滑动关节外球 11162-第11号滑动关节内球
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1128-第12号外骨板弹簧基
41.面
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面
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座
42.1138-第13号外骨板弹簧基
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1148-第14号外骨板弹簧基
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11241-第12号内滑槽口
43.座
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座
44.11242-第12号内滑槽滑道
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11251-第12号外滑键滑键臂
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11252-第12号外滑键滑键头
45.12161-第21号滑动关节外球 211-第1号脊柱限位槽
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212-第1号柔性片
46.面
47.213-第11号脊柱弹簧基座
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214-第12号脊柱弹簧基座
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215-第13号脊柱弹簧基座
48.216-第14号脊柱弹簧基座
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217-第1号驱动绳通孔
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218-第1号脊柱节段主体
49.219-第1号脊柱球突
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229-第2号脊柱球突
具体实施方式：
50.下面结合附图对本发明作进一步说明。
51.(一)整体结构介绍
52.本发明公开了用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，在结构方面，其组成模块包括：仿生机械臂外骨架(1)、仿生机械臂脊柱(2)、驱动绳(3)、弹簧连接件(4)。该模块化教具可由n段节段组成，n≥5；如图1所示。仿生机械臂外骨架(1)和仿生机械臂脊柱(2)通过弹簧连接件(4)相连组成若干段节段，由驱动绳(3)串联控制。
53.(1)仿生机械臂外骨架
54.以9段节段的机械臂为例，如图2所示，所述仿生机械臂外骨架(1)由外骨架第1节
段(11)、外骨架第2节段(12)、外骨架第3节段(13)、外骨架第4节段(14)、外骨架第5节段(15)、外骨架第6节段(16)、外骨架第7节段(17)、外骨架第8节段(18)和外骨架第9节段(19)组成，其中，所述外骨架第1节段(11)到第9节段(19)结构完全相同但尺寸大小不同，外骨架第1节段(11)为最大尺寸，外骨架第9节段(19)为最小尺寸，编号相邻的外骨架节段之间呈等比例缩放关系：前一节段比后一节段的缩放比例为μ，μ》1。
55.以外骨架第1节段(11)为例，如图3所示，所述外骨架第1节段(11)由4个结构、尺寸大小完全相同的结构：第11号l型外骨板(111)、第12号l型外骨板(112)、第13号l型外骨板(113)、第14号l型外骨板(114)组成，其中，第11号l型外骨板(111)与第12号l型外骨板(112)配合连接；第12号l型外骨板(112)与第13号l型外骨板(113)配合连接；第13号l型外骨板(113)与第14号l型外骨板(114)配合连接；第14号l型外骨板(114)与第11号l型外骨板(111)配合连接。
56.以第11号l型外骨板(111)为例，如图4所示，所述第11号l型外骨板(111)包括第11号内滑键(1111)、第11号外滑槽(1112)、第11号减重孔(1113)、第11号内滑槽(1114)、第11号外滑键(1115)、第11号滑动球面(1116)、第11号外骨板限位槽(1117)和第11号外骨板弹簧基座(1118)。其中，第11号内滑键(1111)由第11号内滑键滑键臂(11111)和第11号内滑键滑键头(11112)组成；第11号外滑槽(1112)由第11号外滑槽滑道(11121)和第11号外滑槽口(11122)组成；第11号内滑槽(1114)由第11号内滑槽口(11141)和第11号内滑槽滑道(11142)组成；第11号外滑键(1115)由第11号外滑键滑键臂(11151)和第11号外滑键滑键头(11152)组成。第11号外滑槽口(11122)与第11号内滑槽口(11141)为圆形槽口，第11号外滑槽滑道(11121)与第11号内滑槽滑道(11142)为直线滑道；第11号滑动球面(1116)由第11号滑动关节外球面(11161)和第11号滑动关节内球面(11162)组成，第11号滑动关节外球面(11161)和第11号滑动关节内球面(11162)为球型接触面。
57.如图5a所示，外骨架第1节段(11)与外骨架第2节段(12)上下配合形成4组滑动关节；以第11号l型外骨板(111)和第21号l型外骨板(121)之间的配合为例，如图5b所示，沿着节段方向，第11号l型外骨板(111)的第11号滑动关节内球面(11162)与第21号l型外骨板(121)的第21号滑动关节外球面(12161)的球面半径相同，可以配合形成滑动关节。
58.在节段内部，所述第11号l型外骨板(111)、第12号l型外骨板(112)、第13号l型外骨板(113)和第14号l型外骨板(114)之间可配合形成4组移动副。如图6所示，以第11号l型外骨板(111)和第12号l型外骨板(112)配合形成的1组移动副为例，第11号内滑键滑键头(11112)穿过第12号内滑槽口(11241)，移动并使得第11号内滑键滑键臂(11111)嵌入第12号内滑槽滑道(11242)，其中，第11号内滑键滑键臂(11111)的臂长与第12号内滑槽滑道(11242)的深度相同，且第11号内滑键滑键臂(11111)的直径与第12号内滑槽滑道(11242)的宽度相同，使两者形成移动副配合；同时第12号外滑键滑键头(11252)穿过第11号外滑槽口(11122)，移动并使得第12号外滑键滑键臂(11251)与第11号外滑槽滑道(11121)形成配合，其中，第12号外滑键滑键臂(11251)的臂长与第11号外滑槽滑道(11121)的深度相同，且第12号外滑键滑键臂(11251)的直径与第11号外滑槽滑道(11121)的宽度相同，使两者形成移动副配合；两组移动副配合起到限制第11号l型外骨板(111)相对第12号l型外骨板(112)转动的作用，即第11号l型外骨板(111)与第12号l型外骨板(112)完成配合后仅保留沿第11号外滑槽滑道(11121)(第12号内滑槽滑道(11242))方向移动的自由度。
59.(2)仿生机械臂脊柱
60.以9段节段的机械臂为例，如图7所示，所述仿生机械臂脊柱(2)由脊柱第1节段(21)、脊柱第2节段(22)、脊柱第3节段(23)、脊柱第4节段(24)、脊柱第5节段(25)、脊柱第6节段(26)、脊柱第7节段(27)、脊柱第8节段(28)和脊柱第9节段(29)组成，其中，所述脊柱第1节段(21)到第9节段(29)结构完全相同但尺寸大小不同，脊柱第1节段(21)为最大尺寸，脊柱第9节段(29)为最小尺寸，编号相邻的脊柱节段之间呈等比例缩放关系：前一节段比后一节段的缩放比例为μ，μ》1。
61.以脊柱第1节段(21)为例，如图8所示，所述脊柱第1节段(21)包括第1号脊柱限位槽(211)、第1号柔性片(212)、第11号脊柱弹簧基座(213)、第12号脊柱弹簧基座(214)、第13号脊柱弹簧基座(215)、第14号脊柱弹簧基座(216)、第1号驱动绳通孔(217)、第1号脊柱节段主体(218)和第1号脊柱球突(219)。其中，第1号脊柱限位槽(211)为球形槽，可限制与脊柱第1节段(21)配合的脊柱第2节段(22)沿任意方向的偏转角度；第1号柔性片(212)共计4片呈圆周分布；第11号弹簧基座(213)、第12号弹簧基座(214)、第13号弹簧基座(215)和第14号弹簧基座(216)的结构相同，呈90
°
夹角分布；第1号驱动绳通孔(217)共计4个，为圆形通孔，绳孔处配有圆角，每一弹簧基座(213-216)上各有一个沿z轴方向开孔的第1号驱动绳通孔(217)；第1号脊柱球突(219)为球型突起；如图9所示，脊柱第2节段(22)的第2号脊柱球突(229)与脊柱第1节段(21)的第1号柔性片(212)可配合形成球窝结构(球副)。
62.以节段1为例，如图10所示，外骨架第1节段(11)和脊柱第1节段(21)由弹簧连接件(4)连接组成节段1，其中，第11号外骨板弹簧基座(1118)和第11号脊柱弹簧基座(213)通过弹簧连接件(4)相连；第12号外骨板弹簧基座(1128)和第12号脊柱弹簧基座(214)通过弹簧连接件(4)相连；第13号外骨板弹簧基座(1138)和第13号脊柱弹簧基座(215)通过弹簧连接件(4)相连；第14号外骨板弹簧基座(1148)和第14号脊柱弹簧基座(216)通过弹簧连接件(4)相连。所述弹簧连接件(4)安装后均处于压缩状态，产生的弹力会使得脊柱第1节段(21)始终处于外骨架第1节段(11)的中心位置，使得外骨架第1节段(11)与脊柱第1节段(21)成为一个稳定的整体节段。
63.(3)驱动绳
64.所述驱动绳(3)可选用凯夫拉绳；以9段节段的机械臂为例，驱动绳(3)共计使用4根，分别穿过第11号到第91号脊柱弹簧基座(213-293)、第12号到第92号脊柱弹簧基座(214-294)、第13号到第93号脊柱弹簧基座(215-295)和第14号到第94号脊柱弹簧基座(216-296)上的第1号到第9号驱动绳通孔(217-297)将脊柱第1节段(21)到脊柱第9节段(29)串联，用于仿生机械臂的驱动。
65.(4)弹簧连接件
66.所述弹簧连接件(4)的选用与外骨架第1节段(11)到第9节段(19)和脊柱第1节段(21)到第9节段(29)的弹簧基座尺寸相关，如需增加或减少模块化教具所使用的节段数量，则需变更使用的弹簧连接件(4)尺寸与数量。
67.(二)整体运动介绍
68.如图11所示，所述用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具可卷曲形成包络面，用于抓取物品。模块化教具包络面的形成是通过外骨架节段的伸缩运动和节段之间的运动这两类运动完成的。
69.(1)外骨架节段的伸缩运动
70.如图12所示，以外骨架第1节段(11)为例，外骨架第1节段(11)可通过第11号l型外骨板(111)与第12号l型外骨板(112)、第12号l型外骨板(112)与第13号l型外骨板(113)、第13号l型外骨板(113)与第14号l型外骨板(114)和第14号l型外骨板(114)与第11号l型外骨板(111)组成的移动副完成水平方向上的伸缩运动。通过第11号内滑键滑键臂(11111)(第12号外滑键滑键臂(11251))在第12号内滑槽滑道(11242)(第11号外滑槽滑道(11121))中滑动，起到调整外骨架第1节段(11)的长度、宽度的作用。如图12(a)所示为外骨架第1节段(11)沿x轴方向收缩的结构示意图；如图12(b)所示为外骨架第1节段(11)沿y轴方向收缩的结构示意图；如图12(c)所示为外骨架第1节段(11)沿x、y轴方向双向收缩的结构示意图。
71.(2)节段之间的运动
72.节段1到节段9之间的运动方式相同，可分为偏转运动与扭转运动两种，本发明以由外骨架第1节段(11)、脊柱第1节段(21)和弹簧连接件(4)组成的节段1与由外骨架第2节段(12)、脊柱第2节段(22)和弹簧连接件(4)组成的节段2之间的运动为例进行介绍。
73.如图13所示，在4根驱动绳(3)的牵引下，节段2可相对节段1沿xy平面上任意方向发生偏转。如图13(a)所示为节段2相对节段1沿x轴方向偏转的结构示意图；如图13(b)所示为节段2相对节段1沿y轴方向偏转的结构示意图。
74.如图14所示，当节段2相对节段1发生偏转时，第21号滑动关节外球面(12161)在第11号滑动关节内球面(11162)上滑动；同时，脊柱第2节段(22)相对脊柱第1节段(21)发生偏转。
75.如图15所示，节段1与节段2之间可发生扭转运动；如图16所示，所述脊柱第1节段(21)与脊柱第2节段(22)完成球面配合后可在水平面上扭转一定角度，带动节段2相对节段1发生扭转，扭转角度由弹簧连接件(4)限制；同时第11号外骨板限位槽(1117)限制第21号滑动关节外球面(12161)在第11号滑动关节内球面(11162)上的横向位移，防止机械臂过度扭转。

技术特征：
1.一种用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征在于，所述仿生机械臂可由n段节段组成，n≥5。2.根据权利要求1所述的用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征包括：在结构方面，其组成模块包括仿生机械臂外骨架(1)、仿生机械臂脊柱(2)、驱动绳(3)、弹簧连接件(4)；以9段节段的机械臂为例，其中，仿生机械臂外骨架(1)包括外骨架第1节段(11)、外骨架第2节段(12)、外骨架第3节段(13)、外骨架第4节段(14)、外骨架第5节段(15)、外骨架第6节段(16)、外骨架第7节段(17)、外骨架第8节段(18)和外骨架第9节段(19)；所述外骨架第1节段(11)由第11号l型外骨板(111)、第12号l型外骨板(112)、第13号l型外骨板(113)、第14号l型外骨板(114)组成；所述第11号l型外骨板(111)包括第11号内滑键(1111)、第11号外滑槽(1112)、第11号减重孔(1113)、第11号内滑槽(1114)、第11号外滑键(1115)、第11号滑动球面(1116)、第11号外骨板限位槽(1117)和第11号外骨板弹簧基座(1118)；其中，第11号内滑键(1111)由第11号内滑键滑键臂(11111)和第11号内滑键滑键头(11112)组成；第11号外滑槽(1112)由第11号外滑槽滑道(11121)和第11号外滑槽口(11122)组成；第11号内滑槽(1114)由第11号内滑槽口(11141)和第11号内滑槽滑道(11142)组成；第11号外滑键(1115)由第11号外滑键滑键臂(11151)和第11号外滑键滑键头(11152)组成；第11号外滑槽口(11122)与第11号内滑槽口(11141)为圆形槽口，第11号外滑槽滑道(11121)与第11号内滑槽滑道(11142)为直线滑道；第11号滑动球面(1116)由第11号滑动关节外球面(11161)和第11号滑动关节内球面(11162)组成，第11号滑动关节外球面(11161)和第11号滑动关节内球面(11162)为球型接触面；以9段节段的机械臂为例，其中，仿生机械臂脊柱(2)包括脊柱第1节段(21)、脊柱第2节段(22)、脊柱第3节段(23)、脊柱第4节段(24)、脊柱第5节段(25)、脊柱第6节段(26)、脊柱第7节段(27)、脊柱第8节段(28)和脊柱第9节段(29)；所述脊柱第1节段(21)包括第1号脊柱限位槽(211)、第1号柔性片(212)、第11号脊柱弹簧基座(213)、第12号脊柱弹簧基座(214)、第13号脊柱弹簧基座(215)、第14号脊柱弹簧基座(216)、第1号驱动绳通孔(217)、第1号脊柱节段主体(218)和第1号脊柱球突(219)；其中，第1号脊柱限位槽(211)为球形槽；第1号柔性片(212)共计4片呈圆周分布；第11号弹簧基座(213)、第12号弹簧基座(214)、第13号弹簧基座(215)和第14号弹簧基座(216)的结构相同，呈90
°
夹角分布；第1号驱动绳通孔(217)共计4个，为圆形通孔，绳孔处配有圆角，每一弹簧基座(213-216)上各有一个沿z轴方向开孔的第1号驱动绳通孔(217)；第1号脊柱球突(219)为球型突起；其中，所述驱动绳(3)可选用凯夫拉绳；以9段节段的机械臂为例，驱动绳(3)共计使用4根，分别穿过第11号到第91号脊柱弹簧基座(213-293)、第12号到第92号脊柱弹簧基座(214-294)、第13号到第93号脊柱弹簧基座(215-295)和第14号到第94号脊柱弹簧基座(216-296)上的第1号到第9号驱动绳通孔(217-297)将脊柱第1节段(21)到脊柱第9节段(29)串联，用于仿生机械臂的驱动；其中，所述弹簧连接件(4)用于仿生机械臂外骨架(1)和仿生机械臂脊柱(2)的连接，使之配合成为一个稳定的整体。3.根据权利要求2所述的用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征在于，所述外骨架第1节段(11)、外骨架第2节段(12)、外骨架第3节段(13)、外骨架第
4节段(14)、外骨架第5节段(15)、外骨架第6节段(16)、外骨架第7节段(17)、外骨架第8节段(18)和外骨架第9节段(19)结构相同，同时尺寸大小不同，编号相邻的外骨架节段之间呈等比例缩放关系：前一节段比后一节段的缩放比例为μ，μ>1。4.根据权利要求2所述的用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征在于，所述脊柱第1节段(11)、脊柱第2节段(12)、脊柱第3节段(13)、脊柱第4节段(14)、脊柱第5节段(15)、脊柱第6节段(16)、脊柱第7节段(17)、脊柱第8节段(18)、脊柱第9节段(19)结构相同，同时尺寸大小不同，编号相邻的脊柱节段之间呈等比例缩放关系：前一节段比后一节段的缩放比例为μ，μ>1。5.根据权利要求2所述的用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征在于，第11号到第14号l型外骨板(111-114)通过第11号到第14号内滑键(1111-1141)、第11号到第14号外滑槽(1112-1142)、第11号到第14号内滑槽(1114-1144)和第11号到第14号外滑键(1115-1145)形成固连，构成4组移动副。6.根据权利要求2所述的用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征在于，外骨架第1节段(11)到第9节段(19)通过第11号到第91号滑动球面(1116-1916)、第12号到第92号滑动球面(1126-1926)、第13号到第93号滑动球面(1136-1936)和第14号到第94号滑动球面(1146-1946)配合形成滑动关节。7.根据权利要求6所述的用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征在于，滑动关节的最大位移受到第11号到第91号外骨板限位槽(1117-1917)、第12号到第92号外骨板限位槽(1127-1927)、第13号到第93号外骨板限位槽(1137-1937)和第14号到第94号外骨板限位槽(1147-1947)的限制，以防止机械臂过度扭转。8.根据权利要求2所述的用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，其特征在于，脊柱第1节段(21)到第9节段(29)通过第1号到第8号柔性片(212-282)和第2号到第9号脊柱球突(229-299)形成固连，构成球窝结构(球副)。

技术总结
本发明公开了用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具，主要用来在课堂教学中演示及引导学生动手操作。用于演示仿海马尾部结构的机械臂运动原理的模块化教具具体包括仿生机械臂外骨架、仿生机械臂脊柱、驱动绳和弹簧连接件，其中仿生机械臂外骨架和仿生机械臂脊柱均可由n段节段组成，n≥5，相邻节段之间呈等比例缩放关系。本发明将蛇形臂机构单元化，具有便于拆卸、控制方便、机械臂灵活度高、抓取包络面自适应可变等特点。本发明可改变一套教具中的节段数量，以满足不同的教学要求。求。求。


技术研发人员：赵宏哲 李杰凯 劳元皓
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14