仿刺猬變形履帶機構(gòu)

潘濟安 宗蕓萱 王琪恒 唐彪

？研究背景

履帶式車輛（例如推土機）在泥濘的道路上工作平穩(wěn)，移動自如。但如果在平坦路面行駛，輪式車輛就比履帶式車輛移動速度快很多。

看到這些，我們就考慮可否把輪式移動和履帶式移動結(jié)合起來，同時解決履帶車輛移動速度較慢和輪式車輛越障能力較差的問題。

電視節(jié)目《動物世界》中播放過刺猬與老虎相遇的情形：無論老虎怎么攻擊刺猬，刺猬只將身體變形，卷曲成球狀，將刺朝外保護自己，老虎便無計可施；當老虎走開時，刺猬又恢復(fù)成正常“行走”時扁長的體態(tài)。看到這種情景，我們就有了一個想法：如果可以模仿刺猬身體的2種變形狀態(tài)，研制具有變形能力的移動機構(gòu)，實現(xiàn)幾何結(jié)構(gòu)的可變性，實現(xiàn)運動狀態(tài)或形式的轉(zhuǎn)變，就能使其具有較大的移動靈活性，滿足在多種環(huán)境中的運動需要。

由于輪式和履帶式移動機構(gòu)有各自的優(yōu)缺點，如果將輪式和履帶式移動機構(gòu)的優(yōu)點組合，重新發(fā)明出1種輪式和履帶式移動機構(gòu)可相互轉(zhuǎn)換的新型變形履帶機構(gòu)，也許會大大提高車輛的移動速度和越障能力。有了這個想法后，我們向老師敘述了設(shè)計新型變形履帶機構(gòu)的想法，得到了老師的大力支持和幫助。隨后，我們3個同學(xué)一起討論組成了研究小組，上網(wǎng)查閱了現(xiàn)在正在使用的各種機械設(shè)備和裝置的移動方式，并認真閱讀了相關(guān)的資料。我們發(fā)現(xiàn)，變形履帶機構(gòu)的適應(yīng)性、靈活性、機動性和越障性能在我國還有很大的提升空間，由此我們開始了本課題的研究。

？研究目標與設(shè)計

？ 研究目標

針對輪式移動和履帶移動機構(gòu)各自的優(yōu)缺點，以及目前常用變形履帶機構(gòu)的特點，設(shè)計并研制1種工作效率高、控制較簡單、能夠自由轉(zhuǎn)換的變形履帶機構(gòu)。

新型變形履帶機構(gòu)應(yīng)具有如下特點：

？能夠在復(fù)雜環(huán)境中移動，體積較??；

？履帶機構(gòu)變形方便，原動機構(gòu)工作載荷較?。?/p>

？履帶變形過程中能量消耗小，且在履帶周長基本不變時，能夠?qū)崿F(xiàn)履帶周長自動保持。

？ 仿刺猬形體變化實現(xiàn)履帶機構(gòu)變形

刺猬在日常生活中，身體處于正常狀態(tài)，這時的身體比較長；但在遇到“敵人”時，便會蜷起身體，縮緊全身肌肉，形成1個圓球，此時的身體相對高一些，全身的刺處于直立狀態(tài)，使“敵人”無從下口，如圖1所示。

我們想到，如果模仿刺猬，將2種不同變形狀態(tài)結(jié)合起來，即將承載面積較大的履帶機構(gòu)與快速移動的輪式機構(gòu)有機地結(jié)合在一起，同時面向不同路況和工作環(huán)境，使履帶機構(gòu)實現(xiàn)快速變形。因此，我們設(shè)計的履帶變形機構(gòu)應(yīng)同時具有履帶移動的高平穩(wěn)性和適應(yīng)性，以及輪式移動的快速和高效的特點。

根據(jù)以上刺猬身體變形特點及輪式、履帶機構(gòu)的運動原理，我們設(shè)計了仿刺猬變形履帶機構(gòu)。該履帶機構(gòu)采用4桿機構(gòu)進行變形，成為可根據(jù)工作環(huán)境變形的移動機構(gòu)，圖2展示了該變形履帶機構(gòu)的概念圖。

？ 履帶變形機構(gòu)

我們設(shè)計的履帶變形機構(gòu)模仿刺猬身體變形的特點，結(jié)合四邊形可變形原理，運用4桿機構(gòu)實現(xiàn)履帶機構(gòu)變形，將扁長形履帶機構(gòu)與圓形輪式機構(gòu)相結(jié)合，使其實現(xiàn)履帶運動和輪式運動，如圖3所示。

刺猬在身體變形過程中，盡管肌肉和皮膚會收縮，但變化量比較小。因此我們想到，變形履帶機構(gòu)也必須設(shè)計履帶周長保持機構(gòu)，以保證履帶周長基本不變，防止履帶脫落。根據(jù)上述履帶變形機構(gòu)的工作需要，我們設(shè)計了履帶變形所需的周長保持4桿機構(gòu)。？ 變形履帶機構(gòu)整體設(shè)計

刺猬遇到強大的敵人時，為了保護自己，通過肌肉和皮膚運動，把身體蜷成球形。履帶機構(gòu)變形過程中，一方面用變形機構(gòu)實現(xiàn)形狀變化，另一方面用保持機構(gòu)實現(xiàn)履帶周長基本不變。為了減小變形履帶機構(gòu)的體積和重量，我們模仿刺猬對腹、腿和尾部的收縮，把保持4桿機構(gòu)和變形4桿機構(gòu)組合設(shè)計成1種聯(lián)動4桿機構(gòu)（見圖4），使履帶在變形的同時實現(xiàn)履帶周長基本不變。

在實際設(shè)計過程中，通過1個支撐軸變形機構(gòu)中的構(gòu)件與周長保持機構(gòu)中的構(gòu)件連接在一起，實現(xiàn)2種機構(gòu)的聯(lián)動工作。

模仿刺猬身體變形特點，設(shè)計變形履帶機構(gòu)時，可把驅(qū)動和傳動裝置同時封裝在履帶機構(gòu)內(nèi)部。

？應(yīng)用前景

我們設(shè)計的這種仿刺猬變形履帶機構(gòu)具有高度的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在各種特殊環(huán)境中移動，尤其當亂石叢與松軟泥土環(huán)境同時存在時，變形履帶機構(gòu)可以模仿刺猬身體變形，實現(xiàn)效率較高的輪式移動與越障能力較強的履帶移動之間的快速轉(zhuǎn)換。在履帶移動與輪式移模式的快速轉(zhuǎn)換過程中，履帶周長基本保持不變，因此具有較強的運動穩(wěn)定性和控制靈活性。此機構(gòu)體積小、重量輕，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。

？創(chuàng)新點

？收獲與體會

一年多的課外研究性學(xué)習(xí)活動，使我們發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及運用所學(xué)知識解決問題能力得到了大幅度提高。研究過程中，我們研究小組3人進行了討論、調(diào)研、設(shè)計和實驗工作。其中，潘濟安主要完成選題、設(shè)計、畫圖等工作；宗蕓萱主要完成查新和撰寫報告；王琪恒主要完成加工、記錄等工作。

通過研究仿刺猬變形履帶機構(gòu)，我們深切體驗到實踐、創(chuàng)新的價值和意義所在，感受到書本上的知識確實為我們打下堅實的基礎(chǔ)，但是要應(yīng)用到實際中還是有很多困難需要克服?；顒舆^程也使我們更深刻地體會到科研工作的嚴謹與艱辛。在今后的學(xué)習(xí)與工作中，我們會繼續(xù)保持嚴謹認真的科學(xué)態(tài)度，這將是我們成長歷程中的寶貴財富！

專家評語

該仿刺猬變形履帶機構(gòu)在復(fù)雜工作環(huán)境中進行變形，實現(xiàn)了輪式與履帶移動的轉(zhuǎn)換，增強了對環(huán)境的適應(yīng)性，提高了移動機構(gòu)的運行效率。建議進一步開展根據(jù)環(huán)境變化智能分析、主動變形并實現(xiàn)遠程控制。