旋翼無人機仿生棲息機械臂設計

摘 要：為滿足旋翼無人機執行林區內定點監測、偵查等任務，通過對鳥類棲息過程研究及腿足仿生研究，設計一種仿生棲息機械臂。對整機進行模塊化設計及運動學分析，腿部模塊使用機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）進行運動學軌跡仿真，爪部模塊使用D-H（Denavit-Hartenberg）參數法取得趾尖運動學方程，通過MATLAB仿真得到爪部模塊趾尖的工作空間點云分布。制作樣機搭建試驗系統，分別對趾部活動范圍以及整機棲息能力進行試驗驗證。該設計結構簡單，易操控，可完成試驗室階段的棲息行為。

關鍵詞：仿生設計； 棲息機構； 繩驅動； 計算機仿真

中圖分類號：V279+.2 文獻標識碼：A DOI：10.7525/j.issn.1006-8023.2024.04.016

Design of Bionic Perching Robotic Arm for Rotor Drone

LIU Jiuqing?， LIU Fan， ZHU Binhai

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China）

Abstract： To meet the requirements of fixed-point monitoring and reconnaissance tasks within forest areas by rotary-wing drones， a bionic perching robotic arm is designed through the study of birds' perching processes and the bionic research of legs and feet. The modular design and kinematics snalysis of the whole machine are carried out. The leg module employs Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems （ADAMS） for kinematic trajectory simulation， while the claw module uses the D-H（Denavit-Hartenberg） parameter method to obtain the kinematic equation of the toetip. The workspace point cloud distribution of the claw module's toetip is derived through MATLAB simulation. A prototype is fabricated to establish an experimental system， which is then used to verify the activity range of the toe part and the overall perching capability of the machine. This design is simple and easy to control， capable of completing perching behavior in the laboratory stage.

Keywords： Bionic design； perching mechanism； tendon-driven； computer simulation

0 引言

旋翼無人機在林業領域中的應用越加廣泛，因其具有靈活性、實時性、經濟性、操作便捷、影像高分辨和受地形影響較小等特點，使林業資源調查和監察工作的質量和效率大幅度提升。其在林業資源調查和監測中的應用主要有林業資源調查規劃、病蟲害監測、生物信息提取和森林消防偵測等［1］。

由于旋翼無人機體積及起飛質量的約束，其續航能力受到極大限制，如今主流動力源為鋰電池和燃料電池，以當前技術，鋰電的可靠性、便攜性更勝于燃料電池。在動力源的技術革新未有顯著進展的情況下，通過各種技術手段以使旋翼無人機得到盡可能長續航是許多學者的研究方向。在林業應用領域，旋翼無人機在執行任務時，會遇到定點監控的任務需求，無人機懸停于林木之上會持續消耗能源，而茂密的林木又阻礙旋翼無人機的降落，因此需要開發一種可以使旋翼無人機能在林中棲息進行定點監控的裝置。

當前，微型無人機的棲息方式主要有：機械抓扣式；仿生機械抓扣式；仿生針刺、微棘式；負壓吸盤式；螺旋槳式；粘膠式；電磁式；等［2］。結合林業領域工作環境，本設計選取仿生機械抓扣式的棲息方式。現階段的仿生機械抓扣式棲息機構仍有設計結構復雜，重量和體積過大等不足［3-11］。本研究設計了一種旋翼無人機仿生棲息于林木樹枝上的機械臂機構，通過對鳥類腿及爪的形狀、功能仿生，仿照其在樹枝的棲息行為，完成旋翼無人機的樹枝棲息動作，以此解決旋翼無人機林中定點監測中消耗續航時長的痛點。

1 鳥仿生棲息結構設計

1.1 設計要求

設計一種輕量型、高適應性、高效能的林用四旋翼無人機仿鳥類腿足機械臂，主要應用于旋翼無人機的樹枝棲息。首先確定機械臂設計要求，見表1。

1.2 仿生設計來源

與大部分靈長類動物進化方向不同，鳥類屬于趾行動物，相比于靈長類動物的跖行性，趾行性動物具有行動更加敏捷、迅速等特點。趾行性動物趾部十分靈活，可以迅速完成抓握、棲息等行為，這些特點使鳥爪的仿生被當今眾多學者重點研究，希望能從中得到無人機在復雜環境下棲息及抓取特定目標動作的啟發［10］。

自然界中鳥類種類繁多，在鳥綱中，存在多種不同的腳趾排列方式，其大多與鳥的生活方式和生態位有關［12-13］。

鳥類常見趾型有不等趾型、對趾型等，如圖1所示。

不同趾型的鳥類均可以完成棲息行為。在此設計中采用對趾型，以此保證鳥爪仿生部分機構每根趾棲息動作的一致性。

本研究選取牡丹鸚鵡作為仿生研究對象，在眾多鳥類中，牡丹鸚鵡較為常見，常常作為人類的寵物出現在大眾視野中，因此研究樣本較為容易取得。且寵物鸚鵡多數時間常立于橫桿上而非飛行，因此可較為方便觀察其棲息時足部的形態。

牡丹鸚鵡是一種小型的鸚鵡，屬于鸚形目鸚鵡科牡丹鸚鵡屬。成年后體長約13～17 cm，體重約40～60 g，腿長約為1.5 cm，粗約為0.3 cm，顏色為灰色。爪部有4個趾，其中2個向前，2個向后，即為對趾型，這樣可以方便地抓住樹枝或食物。趾上有銳利的爪，可以用來防御或攻擊。圖2為牡丹鸚鵡在抓握和站立姿態時不同的爪形。

牡丹鸚鵡由2對股骨、脛跗骨、跗跖骨組成腿部結構，有2爪，每只爪有16塊趾骨，每足4趾，第1趾（后趾）：3塊；第2趾（內側趾）：4塊；第3趾（中間趾）：5塊；第4趾（外側趾）：4塊趾骨。

1.3 仿生棲息結構設計

通過鳥類解剖學的研究和分析，確定機械臂整機的結構包括腿部和爪部2個模塊，動力通過肌腱傳遞。

1）腿部模塊

機械臂的腿部模仿于鳥類股骨、脛跗骨、跗跖骨3個部分。上下連桿成一定初始角度，通過重力影響彎曲折疊，為爪部提供抓握過程中初步的抓握力。以股骨作為平臺連接旋翼無人機，并且承擔爪部模塊主動驅動部分的放置。考慮到成本及平衡問題，腿部模塊采用相同結構并鏡像放置。

2）爪部模塊

爪部模塊連接于腿部模塊下端，作為整機的末端執行裝置，爪部模塊的作用十T5lS7Lx4CuwtcWr9KkmUFi+jJdjC+C+fRmeoE4mRmEc=分重要。通過對牡丹鸚鵡爪部的分析進行設計，降落過程中，爪部預彎曲的初始狀態有助于對目標抓握的快速響應。

3）肌腱

肌腱作為腿部和爪部模塊的動力銜接部分，在整機的設計中至關重要，需要其具有較高的斷裂強度、耐磨性，一定的延展性和柔性，并且質量較輕，以保證在整機中的動力傳遞。

由于牡丹鸚鵡體積相較于無人機小，因此未按照鸚鵡腿足參數1∶1比例設計本機構。參考旋翼無人機質量及體積，最終通過仿生鳥腿足而設計的棲息機械臂如圖3所示。

該仿生棲息機械臂結構由腿部模塊、爪部模塊和肌腱組成，旋翼無人機固定于機械臂上方。腿部模塊從上至下分別由平臺、驅動舵機、上平行連桿、下平行連桿和底座組成，其中，上、下平行連桿傳動方式采用齒輪及鉸接傳動，其余部件連接方式均為鉸接，并采用螺栓固定。舵機在腿部完全折疊后開啟，牽引肌腱使爪部模塊握緊棲息目標。平行連桿機構可以確保在運動中2個或多個點保持相對平行狀態，一對平行連桿通過齒輪嚙合傳動可以起到控制折疊角度的作用，并保證在腿部模塊折疊過程中平臺與底座始終保持平行狀態。齒輪一側固定有短桿，上置滑輪，在腿部模塊折疊過程中，上、下2個滑輪產生相對位移。

腿部模塊中，肌腱的布置如圖4所示，圖4中紅色線為肌腱，其一端固定于舵機輸出軸，于平臺定位孔穿過，依次通過上、下滑輪，穿過底座定位孔，末端固定連接于爪部牽引肌腱。

爪部模塊作為末端執行器，起到最終抓握作用，其對稱布置于腿部模塊下方，爪座通過嵌套的方式嵌套在腿部模塊中的底座上。單一爪部模塊包括1個爪座以及4根趾，每根趾包括2根趾骨以及1根趾尖。單根趾各部件的連接以及趾與爪座的連接均為鉸接并且采用螺栓固定，所有連接均設置限位塊，防止趾部反向運動，限位塊上設溝槽，嵌套彈力繩，借此在肌腱放松時，爪部模塊可以恢復初始狀態，如圖5所示。

由圖6可知，爪部模塊中趾骨根據牡丹鸚鵡爪型采用對趾型，同側趾呈45°角布置。限位塊使每個零件間的初始角均為15°。預設角使整機對同一目標棲息時候肌腱拉緊行程小于未設預設角度時的行程，有助于快速棲息。肌腱對稱布置，紅色線為肌腱布置位置，一端系于趾尖尖端孔，穿過趾骨下方孔道，爪座內部孔道，以及對稱趾的孔道，末端系于對稱趾尖端孔。4根趾骨布置2根肌腱，2根肌腱交叉于爪座內部中心線。

2 仿生棲息機械臂運動學分析

在旋翼無人機棲息中，主要包含2個過程（降落，起飛）。整機的姿態由機械臂轉動關節決定，因此需要對機械臂的棲息運動進行運動學建模，并進行相關運動學分析。

2.1 仿生機械臂棲息姿態分析

仿生機械臂進行棲息行為時，在不同時刻具有不同的姿態。在運動學分析前，需要對棲息行為發生時仿生機械臂的棲息動作進行分析。腿部模塊為平行連桿，在運動示意圖中簡化為單連桿，機械臂姿態變化如圖7所示。

圖7（a）—圖7（c）是機械臂在目標桿上降落過程示意圖。

Step0：機械臂懸停于目標上方，調整方位，爪部模塊懸于棲息目標桿正上方。此時機械臂無任何動作。

Step1：整機緩慢降落，爪部模塊與棲息目標桿接觸，利用整機自身質量，致使腿部模塊折疊，腿部模塊關節處的滑輪相對位移使肌腱張緊，使爪部模塊初步抓握目標桿件。

Step2：當腿部模塊停止折疊時，舵機正轉介入肌腱的牽引，使爪部模塊握緊目標桿，完成降落。

圖7（d）—圖7（f）是機械臂在目標桿上起飛過程示意圖。

Step3：舵機停機，旋翼無人機開始提升升力。

Step4：旋翼無人機上升，升力的增加平衡了整機自身重量，腿部模塊反向折疊，使肌腱松弛，爪部模塊限位塊上的彈力繩使趾還原初始狀態，趾離開目標桿。

Step5：旋翼無人機持續上升，舵機反轉，腿足受自身質量影響，持續打開，爪部模塊完全離開棲息目標，完成起飛。

仿生棲息機械臂作為旋翼無人機負載使用，而且在棲息過程中保持整機平衡尤為重要，因此棲息姿態設計應遵循盡量簡化動作的原則。降落過程（Step0，Step1，Step2）中，整機設計棲息姿態使平臺始終保持水平，整機重心始終在棲息目標上方，此過程腿部模塊折疊平臺穩定下降，當折疊結束主動驅動介入抓握運動，分步抓握過程有助于簡化運動，減小多因素干擾降落過程。起飛過程（Step3，Step4，Step5）中，首先提升無人機拉力，可以避免無動力下打開爪部致使整機掉落。腿部折疊對肌腱牽引位移大于舵機，因此先進行腿部反向折疊使爪部模塊快速完全打開，使爪部對整機飛離目標無影響，完全脫離后再舵機反轉完全放松肌腱，等待下一次棲息。

2.2 腿部模塊運動學仿真

運動學建模與分析是實現機械臂運動控制的基礎，由于腿部模塊運動簡單，因此通過機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems，ADAMS）運動學仿真對腿部模塊進行分析。

腿部模塊在降落時是一個單自由度結構，3個關節均為轉動副。仿生棲息機械臂機構在降落過程中，在Step1受重力影響，Step2舵機加入系統繼續收緊肌腱。由于Step2腿部模塊相對靜止，因此只對棲息Step1進行仿真驗證腿部模塊運動效果。建立腿部模塊模型，并對腿部模塊進行簡化，在只考慮重力作為動力的情況下，不加載舵機、肌腱等零件，只對單腿進行仿真。將簡化后的腿部模塊模型導入Adams軟件進行運動學仿真分析。

Time設定為0.18 s，腿部模塊的運動軌跡如圖8所示。圖8中展示了腿部模塊運動軌跡，以及在運動過程中平臺、上下滑輪質心的軌跡線。

通過對上、下滑輪的質心進行測量，得到腿部模塊運動過程中，2個滑輪相對位移曲線如圖9所示。

由圖9可知，滑輪相對位移隨時間增加而遞增，曲線隨著時間軸的遞增斜率增大，表明位移隨時間的增長是非線性的，兩滑輪相對位移速度受腿部模塊折疊的重力加速度影響。曲線平滑表示在運動中并未產生激變，證明腿部模塊的運動穩定。上、下滑輪質心的相對位移映射肌腱被牽引的長度大致為 35 mm，由此可得經過腿部模塊Step1的運動，腿部折疊，肌腱被拉動的距離最大約為35 mm，仿真結果與Siemens NX建模設計相近，腿部模塊肌腱的牽引位移導致爪部模塊的肌腱被向上牽引，致使爪部模塊初步抓握目標，產生較小的抓握力，抓握力的大小完全取決于腿部模塊在重力的影響下產生的下壓力。

2.3 爪部模塊運動學分析

爪部模塊相較于腿部運動復雜，因此采用經典的D-H（Denavit-Hartenberg）參數法進行分析［14-15］。單趾所有運動副均為轉動副，其D-H坐標系如圖10所示。D-H坐標系中，αi為zi-1軸圍繞著xi軸旋轉所轉過且使zi-1軸平行于zi軸的連桿旋轉角；θi為xi-1軸圍繞著zi-1軸旋轉且使xi-1軸平行于xi軸的關節角。爪部模塊單趾的D-H連桿參數見表2，表2中，li為zi-1軸與zi軸之間公法線的連桿長度；μi為沿著zi-1軸方向、xi-1軸與xi軸的軸關節距離。

相鄰關節變換矩陣為

Ai=Rot（z，θi）Trans（0，0，μi）Trans（ai，0，0）Rot（x，αi）=[（c_i&-s_i cosα_i&sin_i sinα_i&l_i c_i@s_i&c_i cosα_i&-cos_i sinα_i&l_i s_i@0&sinα_i&cosα_i&μ_i@0&0&0&1）]。 （1）

式中：si=sinθi；ci=cosθi。

將表2中各參數帶入到式（1），即得到A_1，A_2，A_3變換矩陣。

趾尖末端坐標系相對坐標系X_0 、Y_0 、Z_0的變換矩陣為

A_3^0=A_1?A_2?A_3=[（c_3 c_12-s_3 s_21&-c_3 s_21-s_3 c_12&0&a_1 c_1+a_2 c_12+a_3 c_3 c_12-a_3 s_3 s_21@c_3 s_21+s_3 c_12&c_3 c_12-s_3 s_21&0&a_1 s_1+a_2 s_21+a_3 c_3 s_21+a_3 s_3 c_12@0&0&1&0@0&0&0&1）]。 （2）

式中：sij=sin（θi+θj）；cij=cos（θi+θj）；i， j=1，2，3。以下出現的公式中均適用。

由式（2）可得趾尖P點位置為

P=[（x@y@z@1）]=[（a_1 c_1+a_2 c_12+a_3 c_3 c_12-a_3 s_3 s_21@a_1 s_1+a_2 s_21+a_3 c_3 s_21+a_3 s_3 c_12@0@1）] 。（3）

建立爪部模塊坐標系，如圖11所示，其中OXYZ為基準坐標系，O_1 X_1 Y_1 Z_1為趾1坐標系，O_2 X_2 Y_2 Z_2為趾2坐標系，O_3 X_3 Y_3 Z_3為趾3坐標系，O_4 X_4 Y_4 Z_4為趾4坐標系。

圖11中，b_1為趾1坐標系原點與趾2坐標系原點的距離；b_2為趾2坐標系原點與趾3坐標系原點的距離；b_3為趾3坐標系原點與趾4坐標系原點的距離。a_11，a_12，a_13、a_22，a_22，a_23、a_31，a_32，a_33和a_41，a_42，a_43分別為趾1、趾2、趾3、趾4的由近端到遠端的趾節長度。趾尖坐標（_^O） P=[x_i，y_i，z_i，1]可以通過坐標變換實現，見式（4）

（_^O） P=（_O_i^O）T （_^（O_i））P。 （4）

式中：（_^O） P為指尖在整體坐標系OXYZ下的位置矢量；（_O_i^O） T為O_i X_i Y_i Z_i相對于OXYZ坐標下的齊次變換矩陣；（_^（O_i）） P為指尖在O_i X_i Y_i Z_i坐標系下的位置矢量。

由趾1坐標系O_1 X_1 Y_1 Z_1與基準坐標系OXYZ的關系可知，須進行如下的坐標系變換。將基準坐標系沿x軸平移距離b_2，沿z軸平移距離b_1，繞y軸旋轉γ_1使基準坐標系z軸與z_1軸重合，繞z軸旋轉β_1使基準坐標系y軸與y_1軸重合。

故變換矩陣為

（_O_1^O） T=Trans（b_2，0，b_1 ）Rot（y，γ_1）Rot（z，β_1）。 （5）

趾1趾尖在基準坐標系OXYZ中的位置為

（_^O） P_1=T（_^（O_1））P=[（p_1x@p_1y@p_1z@1）]。 （6）

同理可得趾2、趾3、趾4在基準坐標系下的趾尖位置［16］。

2.4 爪部模塊工作空間仿真分析

求取爪部模塊趾尖工作空間是測驗爪部模塊是否滿足多趾運動空間需求以及評價其工作性能的重要指標之一。單根趾工作空間受關節活動范圍以及趾骨長度影響，由機構中各轉動副相互配合后，轉動副自身所能達到的最大工作范圍相互制約形成。本研究采用了一種基于隨機采樣的方法來求解機器人工作空間，通過隨機生成一系列關節角度，然后使用正向運動學（fkine函數）計算對應的末端執行器位置，從而獲得機器人的工作空間分布。在某種程度上類似于蒙特卡羅方法，通過大量隨機樣本來估計或近似某個量的分布。

具體步驟如下。

初始化：設定每個關節角度的最小值和最大值。

隨機采樣：對于每個關節，隨機生成一個在其運動范圍內的角度值。

正向運動學：使用機器人的正向運動學模型（Robot1. fkine函數），根據這些隨機生成的關節角度計算末端執行器的位置。

記錄位置：將計算得到的末端執行器位置（x，y，z坐標）記錄下來。

重復過程：重復上述過程多次（2 000次），獲得大量的末端執行器位置數據。

可視化：使用plot3函數在三維空間中繪制所有計算得到的末端執行器位置點，從而可視化出機器人的工作空間。

爪部模塊各趾骨、趾尖骨節長度和關節活動范圍具體參數見表3。

在MATLAB中得到爪部模塊趾尖工作空間的點云分布情況，如圖12所示。空間上，每根趾的趾尖運動點云呈平面式分布，越往遠端越密集，在爪部模塊上考慮到趾節上僅有3個轉動副，并且由于爪部模塊為繩驅動，趾的運動不會是固定單一的運動軌跡，根據不同形狀的目標抓握物可以自適應目標形狀完成包絡抓握，因此符合空間點云的情況。x-y平面的工作空間呈現出一個交叉，在爪部模塊考慮生物學上掌趾關節運動到極限位置時，韌帶處于張緊狀態，此時關節達到彎折極限，符合工作空間點云圖情況。

對于鳥類爪部作用來說，大致分為3種狀態，棲息時的抓握樹枝等類圓桿物體；平地移動跳躍；抓握抓取不同形狀的物體。大多時刻是以抓握 形式使用，握緊時使用了所有的趾，各種形式的抓握都可以依據對力或精確度的需求來進一步劃分。

爪部模塊的抓握功能與鳥爪抓握功能相似，兩者應當具有相似的工作空間。根據趾尖工作空間仿真結果，爪部模塊的工作空間與鳥爪的實際工作空間相吻合，滿足仿生棲息機械臂仿生程度高的需求。

3 試驗研究

前文已經完成了仿生棲息機械臂的設計以及運動學分析仿真，還需要對所設計的仿生棲息機械臂進行加工制造、裝配，檢驗其棲息能力，對爪部模塊棲息抓取目標的能力進行相關試驗，來驗證所設計機械臂是否具有良好的性能。

3.1 試驗系統的搭建

由圖13可知，試驗系統主要由顯示器、Arduino Uno R3、PCA9685舵機驅動器以及仿生棲息機械臂（包含2組舵機）組成。

Arduino Uno R3是一個基于ATmega328P微控制器的流行開源微控制器板，是電子和DIY項目中的一個關鍵工具，廣泛被愛好者、教育工作者和專業人士用于創建交互式項目和原型。

PCA9685是一個16通道12位I2C總線PWM控制器，其廣泛用于LED燈光和伺服電機的控制。PCA9685由NXP半導體公司開發，能夠通過IIC總線與微控制器（如Arduino、Raspberry Pi等）通信，實現對多個PWM輸出的精確控制。

仿生棲息機械臂由爪部模塊以及腿部模塊組成，腿部模塊在平臺下方固定有2只舵機，舵機輸出搖臂連接肌腱。爪部模塊由4根趾鉸接在爪座四周，肌腱十字交叉貫穿爪部模塊通孔并打結固定。爪部模塊肌腱交叉點連接腿部模塊肌腱一端，爪座插入腿部模塊底座。機械臂的組成零件中，鉸接處連接零件選用鋁合金材質M2螺栓，既可以減輕重量又堅固可靠。腿部爪部模塊各桿件通過3D打印制作完成，使用高強度光敏樹脂。最終制作的仿生棲息機械臂總質量是275 g。

爪部模塊在前面內容中進行了著重設計、分析，在此試驗章節單獨驗證爪部模塊的性能十分必要。此部分對爪部模塊趾的屈/伸進行試驗驗證關節角范圍與設計是否相符。

3.2 爪部模塊趾屈/伸試驗

爪部模塊是機械臂的執行終端，是棲息過程最重要的一環。趾屈/伸試驗為驗證爪部模塊趾的關節屈/伸運動范圍與建模設計是否一致。

為爪部模塊趾屈/伸運動試驗如圖14所示，圖14（1）為爪部模塊各個關節初始角，圖14（2—4）分別為遠端關節、中間關節以及近端關節的屈/伸運動角度范圍，其運動極限角度與在建模設計的結果一致。此試驗證明爪部模塊趾的最大運動范圍滿足設計要求。

3.3 機械臂棲息試驗

機械臂棲息試驗是在沒有旋翼無人機的情況下僅對機械臂的棲息性能進行實際考量。將爪部模塊與腿部模塊進行裝配并且安裝舵機以及肌腱，將舵機排線連接到PCA9685擴展模塊，舵機操控程序上傳到Arduino Uno R3，連接通訊線，完成整機裝配。進行機械臂垂直棲息試驗與機械臂傾斜試驗。

1）機械臂垂直棲息試驗

機械臂垂直于棲息目標（直徑40 mm的樹枝）進行降落，腿部模塊折疊牽引肌腱致使爪部模塊對棲息目標進行預抓握，舵機轉動，持續牽引肌腱，使爪部模塊抓緊棲息目標，完成降落過程。試驗過程如圖15所示。

試驗階段，機械臂整機降落過程與Step（0，1，2，3）階段預設的降落過程棲息姿態完全一致，最終整機抓緊棲息目標完成降落。

2）機械臂傾斜試驗

在棲息過程中，由于側風、濕滑、無人機操作失誤等因素，可能導致最終無人機未能按照設想垂直降落。本試驗通過對樹枝角度調整，測試當整機大角度降落時，是否依然能保持整體平衡，完成降落，不會跌落。試驗結果如圖16所示。

由圖16可知，當機械臂整機前后有30°傾斜時，依然能保持平衡，不致掉落。由此可見設計抓握力足夠。

4 結論

為解決林用無人機定點觀測問題，本研究基于鳥類解剖學的研究，設計了一種繩驅動的仿生棲息機械臂。

1）分析和研究鳥類腿部的解剖學特征，設計了基于鳥類腿部解剖學特征的繩驅動仿生棲息機械臂。以牡丹鸚鵡腿足結構為藍本，進行了結構設計。

2）進行分模塊的運動學分析，使用Adams軟件對腿部模塊進行運動學仿真，獲得腿部模塊的運動軌跡和滑輪相對位移曲線，腿部在重力作用下在0.18 s內完成折疊，并可以穩定運動。通過D-H參數法對單趾進行了運動學分析。對單趾運動方程進行了位姿變換，得到多趾趾尖的運動學方程。使用MATLAB對欠驅動爪部模塊的工作空間進行了仿真，獲得了趾尖工作空間的點云分布。

3）基于分析結果制造了仿生棲息機械臂的試驗樣機，并進行了趾的屈/伸運動試驗，驗證趾運動范圍與設計相符。進行了40 mm樹枝的垂直棲息試驗，驗證了機械臂能夠在降落過程中保持預設姿態，實現棲息。進行了傾斜試驗，結果顯示機械臂抓握力足夠，在機身最大傾斜30°的情況下也能保證平衡。

綜上所述，研究證明了仿生棲息機械臂能夠有效地完成樹枝上的棲息任務，展現了良好的應用潛力。

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