仿生机械蝎子的结构设计及优化

由多学科融合而成的仿生机械学，以生物特性为基础改进机械系统功能。蝎子具备多足协调移动、尾部灵活操控和精准钳夹物体的能力，在复杂地形作业中展现出独特优势。针对现有机器人在非结构化环境应用的不足，开展仿生机械蝎子结构设计研究，对推动特种作业机器人技术进步有着重要意义。

一、仿生机械蝎子的生物原型

（一）形态特征与运动模式

蝎子作为节肢动物门蛛形纲典型生物，其身体构造与运动模式展现出对复杂环境的高度适应性。身体由头胸部、前腹部和后腹部（尾部）构成，8 条附肢、一对螯肢及带毒刺的尾部形成完整功能体系。在移动时，8 条腿分为两组，每组 4 条腿交替前后摆动，这种独特运动策略配合身体重心实时调整，使蝎子在碎石、草丛等地形中，能通过改变两组腿的摆动频率与幅度，实现灵活转向与快速移动。

蝎子尾部由多个关节串联而成，各关节间肌肉协同收缩与舒张，让尾部可完成弯曲、伸展、刺击等多样化动作，在防御与捕猎中发挥关键作用；螯肢通过开合运动，结合触觉反馈，能精准抓取不同形状、大小的物体，无论是捕捉猎物，还是搬运细小物品，都能轻松应对。这种多关节、多自由度的运动特性，使其在复杂环境中行动自如，完成各类精细操作任务。

（二）生物力学特性

从生物力学角度剖析，蝎子腿部关节屈伸运动由肌肉驱动，呈现非线性传动特性。当蝎子在不同地面行走时，腿部肌肉会根据地面阻力变化，自动调整收缩力度与频率，从而改变步幅和运动速度，确保运动高效稳定。例如在松软沙地，腿部肌肉会增大收缩力，加大步幅，减少陷入深度；在坚硬岩石表面，则调整为小步幅、高频率运动，增强稳定性。

其尾部多段式结构与肌肉群协同发力，赋予尾部在三维空间完成复杂轨迹运动的能力。尾部关节可独立或协同运动，在刺击时，多个关节迅速伸展并精准定位；在弯曲躲避时，关节依次弯曲形成灵活曲线。螯肢利用杠杆原理放大夹持力，同时触觉感知系统能实时感知物体材质与形状，调整夹持力度，既保证物体不滑落，又避免因力度过大造成损伤。

二、仿生机械蝎子的整体结构设计

（一）系统组成与功能划分

仿生机械蝎子整体架构由四大核心功能模块组成，各模块分工明确且相互配合，腿部运动模块采用单电机驱动双从动轴结构，通过同步带与差速齿轮配合，实现前进、后退和转向功能。电机动力经齿轮传递至从动轴，同步带带动两侧腿部运动，差速齿轮根据转向需求，调整两侧腿部速度差，实现灵活转向。

尾部运动模块运用行星齿轮串接平行四边形机构，由电动推杆驱动齿轮齿条传动，模拟蝎子尾部弯曲、伸展和刺击动作。电动推杆直线运动转化为齿轮旋转，带动平行四边形机构，实现尾部多关节联动。钳子运动模块借助连杆机构与扭簧组合，在电动推杆推动下，完成物体夹持与释放。电动推杆推动推板，通过连杆带动钳子安装板旋转，扭簧根据物体尺寸和形状，自适应调节夹持力度。

（二）关键机构设计

1. 腿部运动机构

腿部运动机构采用 “电机 - 齿轮差速器 - 同步带 - 斜曲柄机构”传动方案。主动轴通过齿轮与两侧从动轴相连，从动轴利用同步带驱动腿部斜曲柄机构，实现腿部前后摆动。在转向设计上，左侧从动轴配置高速齿轮（传动比 1:3），右侧配置低速齿轮（传动比 1:1），通过啮合式离合器切换齿轮传动比。电磁铁控制离合器位置，当需要转向时，电磁铁通电，离合器切换至相应齿轮，改变两侧腿部运动速度，实现精准

转向。

2. 尾部运动机构

针对尾部运动，创新设计 “行星齿轮 - 平行四边形串接机构”。电动推杆推动齿条，带动行星齿轮围绕固定太阳齿轮旋转，进而驱动平行四边形连杆机构，实现尾部多关节联动。传统齿轮传动距离有限，该设计通过串接行星齿轮与平行四边形机构，延长传动路径，同时利用平行四边形机构稳定性，保证尾部运动轨迹精准。无论是模拟尾部弯曲躲避障碍物，还是伸展进行探测，都能稳定、灵活地完成动作，使机械蝎子尾部功能更接近真实蝎子。

三、仿生机械蝎子的优化设计

（一）材料与强度优化

在材料选择上，躯干框架和传动部件选用 6063 铝合金。该材料密度 2700kg/m ³，弹性模量 6.9×10¹⁰N/m ²，既能保证结构强度，又可减轻整机重量，将整机重量控制在 5kg 以内。为验证各部件强度，运用有限元分析（FEA）技术，对腿支架、主动轴等关键部件进行应力测试。

测试结果显示，腿支架在承受最大负载时，最大应力仅 3.8MPa ，远低于铝合金 500MPa 的屈服强度；主动轴在传动过程中，最大扭矩43MPa，低于 45 钢 220MPa 的屈服强度。这表明各部件强度可靠，在机械蝎子执行各种任务，如攀爬陡坡、搬运重物时，能承受相应负载，保证机械蝎子长期稳定运行。

（二）运动性能优化

运动性能优化方面，为仿生机械蝎子设计 “两组腿交替摆动” 步态。通过控制器精确调节电机转速，实现 0.1-0.5m/s 速度变化，满足不同作业场景需求。在狭窄空间探测时，采用低速模式，便于精准控制；在开阔区域快速移动时，切换至高速模式，提高工作效率。

转向控制上，将两侧腿部速度差严格控制在 1:1.5 - 1:2，确保转弯半径不超过 30cm ，使机械蝎子能在狭小空间灵活转向。在足部安装压力传感器，实时监测地面反作用力，传感器将数据传输至 PID 控制器，控制器根据数据动态调整电机扭矩。

结束语：

仿生机械蝎子研发项目中，团队以蝎子在复杂环境的生存机制为切入点，拆解其运动特性与身体构造，展开机械结构创新。针对尾部多关节联动难点，设计行星齿轮串接平行四边形机构；为优化移动与抓取功能，在腿部配置差速齿轮，钳子采用连杆机构。经实际测试，该机械蝎子在复杂地形移动与负载承载方面表现突出，为特种作业机器人技术发展开拓新方向。

参考文献：

[1] 王进戈. 机械设计［M］. 重庆：重庆大学出版社.2016.

[2] 冯立艳 , 李建功 , 陆玉 . 机械设计课程设计 [M]. 北京：机械工业出版社 .2016.李海鹏（1980.7），男 汉族 四川工程职业技术大学 学历：硕士研究生 职称：讲师，从事机械设计与制造，几何量计量课题级别：校级 ，名称：仿生机械蝎子的机构设计与优化，编号：YJ2023KJ-13