北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品

图 2 45°梯形波尺蠖头部速度时间曲线

单个周期内尺蠖平均速度关于姿态角?0的曲线如图所示：

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图 3 单个周期内平均速度—θ曲线

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由仿真结果可知，机械尺蠖以45°梯形波形式向前运动时，单个周期内平均速度为0.0346m/s，且当?0

6.2 任意形状三连杆波形步态分析

假设某时刻连杆机构以下图所示的三连杆波形向前传播：

?85?时，有单个周期内最大平均速度0.108m/s。

图 4 任意形状三连杆波形步态

在几何上满足约束条件

?1?180??2?180??3??4?360

即四边形内角和180度，上式化简为

?1??2??3??4?0

又因为四边形三边长均为l0，故?1、?2、?3、?4中独立变量只有两个。此时尺蠖头部一个周期内位移为

X?l0?3?cos?4?cos(?3??4)?cos?1?

l0?3?cos?4?cos(?3??4)?cos?1?v?

11?t通过MATLAB进行仿真得出，当?10.108m/s。

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??4?85?时，平均速度最大值为

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4.4尺蠖运动——多连杆任意形状波形步态分析

如果我们能够实时合理地控制每一个连杆的姿态角?i，则可实现在运动过程中任意形状的波形稳定向前传播。此时如图所示。此时如果拱起的杆件长度足够多，则这种横波式运动则退化为尺蠖伸缩运动。所以我们可以用多连杆波形的步态分析来研究尺蠖运动这种看似古怪复杂的运动。

这种尺蠖伸缩式运动模式下，我们仍然前面讨论的研究方法来分析头部的位移和速度：

图 5 跨步运动步态

单个周期内尺蠖头部位移

X?l08?cos?1?cos(?1??2)???cos?i?1cos?i

?7?

v?l08?cos?1?cos(?1??2)???cos?i?1cos?i11?t?7?

通过MATLAB仿真得出，当?1??2??6??7?0，?3??5?47.5?，

?4?85?时，尺蠖头部最大平均速度 0.386m/s。但是此时尺蠖身体已经几乎处

于完全垂直地面状态，稳定性不好，故实际不会采用此种运动方式，继而最大平均速度也无法达到0.386m/s。

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七 机械尺蠖样机运动测试

试验过程中我们分别让机械尺蠖以45°梯形波、60°梯形波和跨步方式向前运动，并测量其运动速度，发现与仿真结果有一定差异，并且在做跨步运动过程中尺蠖的稳定性有待提高。

表格 3仿真与实际运动结果的对比

速度 仿真结果 实际速度 45°梯形波 3.46cm/s 2.0cm/s 60°梯形波 5.90cm/s 4.6cm/s 跨步运动1 4.03cm/s 3.0cm/s 跨步运动2 6.64cm/s 4.3cm/s 通过进一步分析，我们总结出出现以上差异的主要因素有以下两点： 1、尺蠖腹部与地面的摩擦力不够大，至于向前运动过程中尾部出现打滑； 2、当逐渐增大姿态角时，由于舵机功率有限，不能在短时间内转到下一个姿态角，导致?t增大，运动速度下降。

八 后期规划

在第二期的计划中，我们将对机械尺蠖的控制单元进行完善，使他能够更逼真地模拟尺蠖抓地的触脚和吸盘，这样，将使机械尺蠖的弓背－延展运动更加有力，适应于复杂地形的能力更强，克服表面摩擦力的效果将更好。同时，我们将进行智能化改进，增加探测和定位负载，这样我们的机械尺蠖就会更有用武之地，适用面更加广泛。比如加入红外探测头实现智能避障，红外跟踪等；加装无限接收及传输模块，使得我们可以远程控制我们的机械尺蠖。

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