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摘 要 机械仿真动物的制作技术，融合了机械、电气动（或液压）、遥感、自动控制、化工、仿生、艺术造型等多种技术学科，根据被模仿动物的形态、特性以及实际使用需要，进行产品的设计、制造。本文根据作者的实际工作经验，对机械仿真动物制作的几项关键技术进行了分析和介紹，指出了制作难点和需要注意的问题，并简述了今后的的发展方向。
关键词 机械仿真动物；技术特点；关键技术；发展方向
中图分类号 TP 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0169-01
机械仿真动物，是指运用现代的科技手段，制作出形态逼真、并可以完成一定动作的仿生机械产品。可以分为两大类：1）小型的仿生动物玩具。2）可以放置在展览馆、公园等室内外场地，进行科教、娱乐方面展示的大型仿生动物设备，也可作为影视制作、舞台表演的道具。单个产品的唯一性，应当是此类产品的最大特点，这是由所仿制的动物种类、使用环境、场景要求乃至同种类不同的姿态、大小及动作要求所决定的；还原历史、寓教于乐、保护生态，这是该产品最大的价值所在。本文主要是针对第二类产品的制作技术进行一定的研究和探讨。
机械仿真动物最大的技术特点，是融合了机械、电气动（或液压）、遥感、自动控制、化工、仿生、艺术造型等多种技术学科，根据被模仿动物的形态、特性以及实际使用需要，进行产品的设计、制造。一般采用钢筋骨架作为身体支架，以机械结构和动力控制系统作为内部执行机构来实现各种仿生动作，并用海绵或者泡沫进行立体加工制作身体的肌肉和表层纹理，最后根据动物特点制作出外部皮毛。因此，内部执行机构、控制系统、外部造型和表皮处理是机械仿真动物制作的几项关键技术。
1 内部执行机构和控制系统
如果想要栩栩如生地展示动物活体，就需要让它能够完成一系列的动作。一般的动作形式包括：头部抬起、扭转，颈部的摆动，嘴巴张开，眼帘闭合、前爪摇动，身体俯仰、移动，尾巴摇摆，以及完成眼睛发光、鼻孔嘴巴喷水、喷雾并发出声音等特效动作，甚至通过在场地周围安装传感器，可与参观者、游客产生互动的效果……这些动作，就要依靠内部执行机构和控制系统来完成。
内部执行机构的制作，首先要根据所模仿的动物形态进行设计，以不妨碍身体造型为原则，确定出合理的动作形式和幅度大小。这方面，要综合考虑制作材料、生产工艺及制造成本的影响和限制，不要追求大幅度的动作变化（除非特殊需要）。过大的动幅，对机构的安全、稳定不仅会带来一定的负面影响，还将大大增加使用时的维修成本。
执行机构既可以作为躯干连接的一部分，也可以依附于躯干之上；每个部位既可以单独运动，也可以互相联动，以达到不同的动作效果。结构形式以曲柄连杆机构为主，也可以采用蜗轮蜗杆、齿轮传动。设计中不仅需要考虑如何完成想要的动作，更要考虑安全、可靠、平衡、制动、便于维修等几方面的要求。如果该产品体型巨大，而且是室外放置，则还需考虑自然环境的影响，进行风荷载等参数的计算。而仿真动物身体外形的不规则和外部表皮所产生的阻力难于计算，都为机构的设计带来了一定的困难。
此外，还需要选择合理的驱动方式。现在，一般可选择的驱动方式有三种：电动、气动和液压，使用时各有优劣。电动方式应用最为广泛，优点是成本低，噪音较小，便于控制且基本不受场地限制，缺点是动力输出较弱，不适合较大型的仿生设备，并且故障率相对较高。气动方式应用也较多，特别是使用在较大型的仿生设备上，优点是动力输出强，故障率相对较低，缺点是制作成本较高（需要气源、冷却装置等一系列辅助设备），噪音大，易受到场地条件的限制。而液压方式应用相对较少，原因在于制作成本高，并且一定程度上也受制于场地条件的限制。但是其噪音低、动力输出强、控制方便、故障率低的优点在制作预算充裕的情况下，会受到设计者和用户的青睐。
简单的控制系统可由各种继电器组成的逻辑电路和传感器构成，控制少量的执行机构完成单调的动作。对于动作复杂多样、可动部位很多的仿真动物产品则需要采用PLC或计算机系统来进行控制，按照预先编写的程序向驱动单元发出指令，动力部分向执行机构提供动力，使执行机构在驱动元件的作用下完成规定操作，包括声音、灯光、喷水等特效动作，从而大大提高了动作的逼真性和轻柔性，而不再像初期的产品那样单调和突兀。
随着计算机技术的飞速发展，以及新技术、新材料的不断涌现，机械仿真动物的制作技术也有了很大的提高。计算机辅助设计改变了传统的原地放样设计的模式，并可以用三维设计软件，进行机构动作模拟和强度核算，有效地提升了设计的精度和可靠性，提高了效率，降低了成本。但需要注意的是，对新技术的盲目追求并非最佳的选择，毕竟安全、可靠才是产品制作的根本，另外有限的制作费用也会制约先进技术的应用。
2 外部造型和表皮处理
机械仿真动物的成功制作，贵在追求一个”真”字，即是形态逼真、动作逼真、大小逼真。所以外部造型和表皮处理的重要性是不言而喻的，这是产品最直观的外在表现，可以让你通过视觉、触觉、听觉真实感受到它的存在。
进行制作的第一步就是要充分搜集动物的资料，了解动物的形体大小、机体纹理和活动特点，然后再艺术地创造出动物的最佳展示姿态，并以此进行制作。整个过程自始至终都需要保持科学严谨的工作态度。
值得注意的是，一定要综合考虑动物姿态的合理性。如果单纯是制作一个静态的动物雕塑，艺术家可以充分发挥天马行空的想象力进行创作，但要制作出可以完成各种动作的仿生动物设备，动物的姿态就必然会受到内部机械结构的限制。所以，合理的造型设计既要考虑仿真动物静止时姿态的美感，又要为完成动作留出所需的活动空间。同时，怎样让内部机构与外部肌体的有效地衔接，能够体现出动物骨骼肌肉的运动，这也是机械仿真动物制作的一大难点。
制作造型和表皮的材料有多种，常用的有海绵或者泡沫加硅胶、聚氨酯、毛皮等软性材料，有些部位也可采用玻璃钢等硬性材质。这部分的制作加工工艺比较复杂，价格也有很大差别，可根据预算成本、具体使用环境的要求，进行选择。错误的选择，将导致高成本、低寿命的不良后果。
综上所述，机械仿真动物的制作技术，虽然相对过去有了长足的进步，但不论在材料上、工艺上以及控制技术方面，都依然存在很大的提升空间；机构零部件的系列化、标准化等基础工作，也需要不断完善；而且如何做到与最先进技术的同步发展，这将是今后不断努力发展的方向。只有如此，才能创造出更多更好的具有社会效益和经济效益的产品。
参考文献
[1]熊光楞,王昕.仿真技术在制造业中的应用与发展[J].系统仿真学报,1999,3.
[2]刘延斌,金铫.半实物仿真技术的发展现状[J].光机电信息,2003,1.
[3]刘东亮,王凤岐,郭伟.计算机仿真技术及其在生产系统中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,2007,4.
[4]武永利.机械制造技术新发展及其在我国的研究和应用[J].机械制造与自动化,2003,1.
作者简介
李超，专业：机械设计与制造，学士学位，工作单位：大连科艺电子公司。
关键词 机械仿真动物；技术特点；关键技术；发展方向
中图分类号 TP 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)011-0169-01
机械仿真动物，是指运用现代的科技手段，制作出形态逼真、并可以完成一定动作的仿生机械产品。可以分为两大类：1）小型的仿生动物玩具。2）可以放置在展览馆、公园等室内外场地，进行科教、娱乐方面展示的大型仿生动物设备，也可作为影视制作、舞台表演的道具。单个产品的唯一性，应当是此类产品的最大特点，这是由所仿制的动物种类、使用环境、场景要求乃至同种类不同的姿态、大小及动作要求所决定的；还原历史、寓教于乐、保护生态，这是该产品最大的价值所在。本文主要是针对第二类产品的制作技术进行一定的研究和探讨。
机械仿真动物最大的技术特点，是融合了机械、电气动（或液压）、遥感、自动控制、化工、仿生、艺术造型等多种技术学科，根据被模仿动物的形态、特性以及实际使用需要，进行产品的设计、制造。一般采用钢筋骨架作为身体支架，以机械结构和动力控制系统作为内部执行机构来实现各种仿生动作，并用海绵或者泡沫进行立体加工制作身体的肌肉和表层纹理，最后根据动物特点制作出外部皮毛。因此，内部执行机构、控制系统、外部造型和表皮处理是机械仿真动物制作的几项关键技术。
1 内部执行机构和控制系统
如果想要栩栩如生地展示动物活体，就需要让它能够完成一系列的动作。一般的动作形式包括：头部抬起、扭转，颈部的摆动，嘴巴张开，眼帘闭合、前爪摇动，身体俯仰、移动，尾巴摇摆，以及完成眼睛发光、鼻孔嘴巴喷水、喷雾并发出声音等特效动作，甚至通过在场地周围安装传感器，可与参观者、游客产生互动的效果……这些动作，就要依靠内部执行机构和控制系统来完成。
内部执行机构的制作，首先要根据所模仿的动物形态进行设计，以不妨碍身体造型为原则，确定出合理的动作形式和幅度大小。这方面，要综合考虑制作材料、生产工艺及制造成本的影响和限制，不要追求大幅度的动作变化（除非特殊需要）。过大的动幅，对机构的安全、稳定不仅会带来一定的负面影响，还将大大增加使用时的维修成本。
执行机构既可以作为躯干连接的一部分，也可以依附于躯干之上；每个部位既可以单独运动，也可以互相联动，以达到不同的动作效果。结构形式以曲柄连杆机构为主，也可以采用蜗轮蜗杆、齿轮传动。设计中不仅需要考虑如何完成想要的动作，更要考虑安全、可靠、平衡、制动、便于维修等几方面的要求。如果该产品体型巨大，而且是室外放置，则还需考虑自然环境的影响，进行风荷载等参数的计算。而仿真动物身体外形的不规则和外部表皮所产生的阻力难于计算，都为机构的设计带来了一定的困难。
此外，还需要选择合理的驱动方式。现在，一般可选择的驱动方式有三种：电动、气动和液压，使用时各有优劣。电动方式应用最为广泛，优点是成本低，噪音较小，便于控制且基本不受场地限制，缺点是动力输出较弱，不适合较大型的仿生设备，并且故障率相对较高。气动方式应用也较多，特别是使用在较大型的仿生设备上，优点是动力输出强，故障率相对较低，缺点是制作成本较高（需要气源、冷却装置等一系列辅助设备），噪音大，易受到场地条件的限制。而液压方式应用相对较少，原因在于制作成本高，并且一定程度上也受制于场地条件的限制。但是其噪音低、动力输出强、控制方便、故障率低的优点在制作预算充裕的情况下，会受到设计者和用户的青睐。
简单的控制系统可由各种继电器组成的逻辑电路和传感器构成，控制少量的执行机构完成单调的动作。对于动作复杂多样、可动部位很多的仿真动物产品则需要采用PLC或计算机系统来进行控制，按照预先编写的程序向驱动单元发出指令，动力部分向执行机构提供动力，使执行机构在驱动元件的作用下完成规定操作，包括声音、灯光、喷水等特效动作，从而大大提高了动作的逼真性和轻柔性，而不再像初期的产品那样单调和突兀。
随着计算机技术的飞速发展，以及新技术、新材料的不断涌现，机械仿真动物的制作技术也有了很大的提高。计算机辅助设计改变了传统的原地放样设计的模式，并可以用三维设计软件，进行机构动作模拟和强度核算，有效地提升了设计的精度和可靠性，提高了效率，降低了成本。但需要注意的是，对新技术的盲目追求并非最佳的选择，毕竟安全、可靠才是产品制作的根本，另外有限的制作费用也会制约先进技术的应用。
2 外部造型和表皮处理
机械仿真动物的成功制作，贵在追求一个”真”字，即是形态逼真、动作逼真、大小逼真。所以外部造型和表皮处理的重要性是不言而喻的，这是产品最直观的外在表现，可以让你通过视觉、触觉、听觉真实感受到它的存在。
进行制作的第一步就是要充分搜集动物的资料，了解动物的形体大小、机体纹理和活动特点，然后再艺术地创造出动物的最佳展示姿态，并以此进行制作。整个过程自始至终都需要保持科学严谨的工作态度。
值得注意的是，一定要综合考虑动物姿态的合理性。如果单纯是制作一个静态的动物雕塑，艺术家可以充分发挥天马行空的想象力进行创作，但要制作出可以完成各种动作的仿生动物设备，动物的姿态就必然会受到内部机械结构的限制。所以，合理的造型设计既要考虑仿真动物静止时姿态的美感，又要为完成动作留出所需的活动空间。同时，怎样让内部机构与外部肌体的有效地衔接，能够体现出动物骨骼肌肉的运动，这也是机械仿真动物制作的一大难点。
制作造型和表皮的材料有多种，常用的有海绵或者泡沫加硅胶、聚氨酯、毛皮等软性材料，有些部位也可采用玻璃钢等硬性材质。这部分的制作加工工艺比较复杂，价格也有很大差别，可根据预算成本、具体使用环境的要求，进行选择。错误的选择，将导致高成本、低寿命的不良后果。
综上所述，机械仿真动物的制作技术，虽然相对过去有了长足的进步，但不论在材料上、工艺上以及控制技术方面，都依然存在很大的提升空间；机构零部件的系列化、标准化等基础工作，也需要不断完善；而且如何做到与最先进技术的同步发展，这将是今后不断努力发展的方向。只有如此，才能创造出更多更好的具有社会效益和经济效益的产品。
参考文献
[1]熊光楞,王昕.仿真技术在制造业中的应用与发展[J].系统仿真学报,1999,3.
[2]刘延斌,金铫.半实物仿真技术的发展现状[J].光机电信息,2003,1.
[3]刘东亮,王凤岐,郭伟.计算机仿真技术及其在生产系统中的应用[J].组合机床与自动化加工技术,2007,4.
[4]武永利.机械制造技术新发展及其在我国的研究和应用[J].机械制造与自动化,2003,1.
作者简介
李超，专业：机械设计与制造，学士学位，工作单位：大连科艺电子公司。