北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品

2、接受控制命令后，选择指定运动模式对应的数据，更新运动参数； 3、之后把运动数据传递给各个关节，最后转化为各个关节上舵机的运动。因此，控制系统要完成的功能如下：

1、机械尺蠖与PC机进行通讯，接受运动指令； 2、机械尺蠖将运动指令传递给各个关节的舵机； 3、舵机按指令运动，带动机械尺蠖执行弓背－延展动作。

五、电路设计

我们选择使用Atmega48作为机械尺蠖控制板的处理器，每个IO的控制信号通过放大器放大后给舵机的信号线提供PWM脉冲。通信模块使用MAX232芯片进行电平转换，实现单片机与PC机之间的通信。电源模块采用三端稳压子稳定到+5V给控制板供电。舵机供电与控制板供电分开，避免干扰。

图 8 控制电路原理图

13

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品

六、机械尺蠖运动步态算法设计

这一部分里我们首先来讨论一种最简单的运动方式，即以三连杆波形式向前传播。这种运动方式符合波动方程，数学上研究方便。然后可以用这种分析方法研究多连杆波的传递，而我们所期望的尺蠖的伸缩式运动恰恰是多连杆波传播方式其中的一种特殊情况。 6.1 三连杆梯形波步态分析

假设机械尺蠖初始状态为一条直线

相邻关节转角范围是??85?,85??，由尾向头部运动，三连杆波传递到

尺蠖头部时候，完成一个周期动作。完整的三连杆波形运动共由三个阶段构成。分别对应图中t0至t11。

第一阶段：三连杆波形成过程，图示t0至t3阶段。先定义所有连杆相对于前一级连杆逆时针转动为正。首先连杆1以角速度ω正向转动，其余关节不动，均保持水平姿态，经过?t时间，达到图中t1时刻尺蠖的姿态；随后连杆2以角速度ω正向转动，连杆1以角速度－2ω转动，经过?t时间，达到图中t2时刻尺蠖的姿态；随后连杆3以角速度ω，连杆2以－2ω转动，连杆1相对连杆2不作转动，至此三连杆波形已经形成，第一阶段运动状态完成。

T0 T1 Y2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11

8 7 6 5 4 3 2 1

14

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品

第二阶段：波形传递过程，图示t4至t8阶段。按照阶段一的分析方法，此阶段只要每个时刻给各连杆合适的角速度，波形就可以水平传播。应当强调的是此阶段由于地面摩擦力的作用，与地面接触的关节不发生相对地面的向后滑动。 第三阶段：波形复原阶段，图示t9至t11阶段，此阶段与第一阶段运动方式类似，此阶段结束时，完成了梯形波由尺蠖尾部向头部传递的一个完整的周期运动。

表格 2 单个周期内各连杆姿态角

连杆 步态 T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 0 ψ －ψ －ψ ψ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ψ －ψ －ψ ψ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ψ －ψ －ψ ψ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ψ －ψ －ψ ψ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ψ －ψ －ψ ψ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ψ －ψ －ψ ψ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ψ －ψ －ψ ψ 0 1 2 3 4 5 6 7

从表格中可以直观地看到，各连杆的姿态角随时间变化情况相同，只是有一定的相位差而已。假设连杆有效长度为l0，?0???dt，即连杆

0?t1在t0到t1过程

中共用时?t，且各步态过渡时间均为?t。则一周期内尺蠖头部向前移动了

X?2l0(1?cos?)

平均速度为

2l0(1?cos?)v?11?tl0?65mm，?0。

在MATLAB下建立运动的数学模型，并进行仿真，可得出，当取

?45?，并控制?t?100ms时，可解出尺蠖头部任何

时刻的运动状态。

尺蠖头部位移时间曲线如图所示：

15

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品

图 10 45°梯形波尺蠖头部位移时间曲线

16