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，刺猬又恢復成正?！靶凶摺睍r扁長的體態(tài)?？吹竭@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，實現(xiàn)幾何結構的可變性，實現(xiàn)運動狀態(tài)或形式的轉變，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有各自的優(yōu)缺點，如果將輪式和履帶式移動機構的優(yōu)點組合，重新發(fā)明出1種輪式和履帶式移動機構可相互轉換的新型變形履帶機構，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計新型變形履帶機構的想法，得到了老師的大力支持和幫助。隨后，我們3個同學一起討論組成了研究小組，上網查閱了現(xiàn)在正在使用的各種機械設備和裝置的移動方式，并認真閱讀了相關的資料。我們發(fā)現(xiàn)，變形履帶機構的適應性、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。

？研究目標與設計

？ 研究目標

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

新型變形履帶機構應具有如下特點：

？能夠在復雜環(huán)境中移動，體積較?。?/p>

？履帶機構變形方便，原動機構工作載荷較?。?/p>

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

？ 仿刺猬形體變化實現(xiàn)履帶機構變形

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)結合起來，即將承載面積較大的履帶機構與快速移動的輪式機構有機地結合在一起，同時面向不同路況和工作環(huán)境，使履帶機構實現(xiàn)快速變形。因此，我們設計的履帶變形機構應同時具有履帶移動的高平穩(wěn)性和適應性，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、履帶機構的運動原理，我們設計了仿刺猬變形履帶機構。該履帶機構采用4桿機構進行變形，成為可根據(jù)工作環(huán)境變形的移動機構，圖2展示了該變形履帶機構的概念圖。

？ 履帶變形機構

我們設計的履帶變形機構模仿刺猬身體變形的特點，結合四邊形可變形原理，運用4桿機構實現(xiàn)履帶機構變形，將扁長形履帶機構與圓形輪式機構相結合，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，變形履帶機構也必須設計履帶周長保持機構，以保證履帶周長基本不變，防止履帶脫落。根據(jù)上述履帶變形機構的工作需要，我們設計了履帶變形所需的周長保持4桿機構。？ 變形履帶機構整體設計

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。履帶機構變形過程中，一方面用變形機構實現(xiàn)形狀變化，另一方面用保持機構實現(xiàn)履帶周長基本不變。為了減小變形履帶機構的體積和重量，我們模仿刺猬對腹、腿和尾部的收縮，把保持4桿機構和變形4桿機構組合設計成1種聯(lián)動4桿機構（見圖4），使履帶在變形的同時實現(xiàn)履帶周長基本不變。

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

模仿刺猬身體變形特點，設計變形履帶機構時，可把驅動和傳動裝置同時封裝在履帶機構內部。

？應用前景

我們設計的這種仿刺猬變形履帶機構具有高度的環(huán)境適應性，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換。在履帶移動與輪式移模式的快速轉換過程中，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。此機構體積小、重量輕，具有廣泛的市場應用前景。

？創(chuàng)新點

？收獲與體會

一年多的課外研究性學習活動，使我們發(fā)現(xiàn)問題、提出問題及運用所學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、調研、設計和實驗工作。其中，潘濟安主要完成選題、設計、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，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，但是要應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。在今后的學習與工作中，我們會繼續(xù)保持嚴謹認真的科學態(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在復雜工作環(huán)境中進行變形，實現(xiàn)了輪式與履帶移動的轉換，增強了對環(huán)境的適應性，提高了移動機構的運行效率。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。