北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品
ABSTRACT: In recent years the bionic robot has become robot field research hot spot.Looper is a kind of soft invertebrate reptiles. We adapted the bionic mechanical looper by 8 modular design, to become a joint series. Every two joint constitute a unit, each unit with a single direction, thus the mechanical structure of looper form a high redundancy planar linkage institutions. By each joint looper steering gear drive, and a single-chip microcomputer control the whole machine. Looper can adapt to the complex terrain bionic, especially in some special terrain (such as narrow channels, trenches, ruins) on whose road it can reflect the considerable advantages and bear the investigation, detection, or rescue work.
This article also analysis the movement of the mechanical looper, the mechanical ，simplified the movement of the mechanical looper to the movement of the planar linkage. Under the MATLAB simulation we make a mathematical model of its motion, to calculate the velocity and displacement. Finally, we make a comparison between the simulation results and the actual motion measurement results.
KEY WORDS: machinery modular planar linkage mechanism looper
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北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品
一、项目简介
1.1项目背景
尺蠖，又名“弓背虫”，是一种柔软的无脊椎爬行动物，常生长在桦树，杨树上，在粗糙的树干、树叶、地面、草地上爬行。尺蠖的爬行动作因其特殊的身体结构而非常与众不同，它既不同于蛇依靠肌肉的左右摇摆前进，也不同于蚯蚓依靠肌肉的纵向收缩伸展来前进，它是通过独特的纵向弓背、延展来进行爬行。
这种爬行与蛇和蚯蚓的运动形态相比，其最大优点是与爬行表面的接触面积小，滑动摩擦力最小，尺蠖的头尾长有吸盘和触脚，通过吸盘和触脚的抓力，一曲一直，极大减少了身体整体接触摩擦表面带来的滑动摩擦力，同时，弓背－延伸的爬行方式，也更加适用于复杂的地形，如狭窄的管道、粗砺的地面、不规则的壕沟，不平坦的废墟等。这些都是比蛇和蚯蚓更具优势的运动方式。
目前国内外仿生蛇、仿生鱼等依靠肌肉左右摇摆获得前进动力的仿生机器人已经得到大量的充分的研究，但是在仿生尺蠖领域还比较薄弱，依靠弓背－延伸来爬行的运行状态模拟还有很多研究工作需要深入开展。本作品的创新点在于设计了一种仿生机械尺蠖，模拟弓背－延伸的独特爬行运动，设计了独特的爬行步态，减小爬行摩擦力，可以适应复杂地形，在一些具有特殊地形（如狭窄的管道，壕沟，废墟）的路面上能体现出相当大的优势，经加载探测头和定位器后，可以
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图 1 尺蠖
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承担侦查、探测、救援等工作。
本项目的创新点在于：
1、适用于复杂地形的尺蠖弓背延伸前行运动状态模拟； 2、可编程的尺蠖弓背运动模块化关节结构设计； 3、机械尺蠖步态和前行速度关系研究。
二、总体设计
2.1 总体设计方案
该仿生机械尺蠖的设计方案，模拟尺蠖的身体构造，采用模块化的关节状设计。机械尺蠖由8个相同的关节串联而成。每两个关节构成一个单元，每个单元具有纵向单方向的自由度，尺蠖的每个关节都由一台舵机驱动，整条尺蠖由单片机控制每个关节的弓背－延展动作，从而，机械尺蠖整体构成一个高冗余度的平面连杆机构，实现可编程的独特的尺蠖爬行动作模拟。
2.2 机械尺蠖的功能要求
1、机械尺蠖可进行通过弓背－延展方式向前爬行，可适用于粗糙表面； 2、PC机通信可编程控制机械尺蠖的运动步态； 3、可研究机械尺蠖运动步态与运动速度关系；
4、机械尺蠖具有很好的模块化特性，长度可裁减和增加。
2.3 机械尺蠖主要参数
全长：600mm
单个关节长*宽*高：75mm*60mm*42mm 总重量：720g 最大越障高度：12cm 直行速度：2.0cm/s
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最大爬行速度：3.8cm/s
舵机型号及参数：TOWER PRO MG996大力数字金属舵机
大型模型使用 双滚珠轴承,金属齿轮,三级转子 连接线长度30cm 尺寸：42.9*19.7*40.7mm 重量：62G
扭矩：10.5kg/cm(4.8V),13kg/cm(6V)
速度：0.20sec/60degree(4.8v) 0.17sec/60degree(6.0v) 工作电压：4.8-7.2V
2.4 机械尺蠖的设计模块
作品设计并制造了机械尺蠖样机，主要分为四个设计模块： 1、 2、 3、 4、
机械结构设计； 控制设计； 电路设计； 运动步态算法设计。
三、机械结构设计
通过分析尺蠖的运动特点，机械尺蠖的机械结构设计采用二维连杆机构。同时，参考尺蠖关节结构，采用基本关节模块的机械结构设计方法，可方便的组装、裁减和重组。
3.1 基本关节模块的结构设计
基本关节模块的零件设计图纸见附件。采用模块化设计有许多优点： 1、该机械尺蠖的每个关节模块单元结构由大量相同的零部件构成，这些零部件在设计、加工和装配过程中是统一的，这就大大减少了设计加工成本和加工复杂度。
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