2023年专业课作业一。
1.四足步行常见的步态有哪些？各有什么特点？其步行稳定性如何？
四足步行常见的步态有：爬行步态(crawl)、小跑步态(trot)、溜蹄(pace)跑步态、跳跃跑步态。
1.爬行步态(crawl)：例如乌龟爬行时，按着左前、右后、右前、左后的顺序把脚抬起向前迈出，把抬起、悬空的脚称为游脚。
将乌龟四次游脚作为一个周期，就像合着四拍的曲子一样重复周期性的步行。此时把一个步行周期设为1 ，来表示各脚的着地时刻如fig.2.
35 所示。把表示着地时刻的数字称为各脚的相对位相。再者详细地观察可以发现乌龟通常仅一脚为游脚，其余三脚此时都着地。
即一定在当前游脚着地后才能抬起下一只脚。例如：紧跟着位相为0时着地的左前脚立即将右后脚游脚化，于是右后脚从位相0 到位相0.
25 期间为游脚，从0.25 到1接触地面成为支撑脚。在1个周期中支撑脚期间所占的比例称为占空比(duty-ratio) 。
上述右后脚从位相0.25 到1 期间的占空比为0.75 。
其步行中的平均支撑脚数也可以计算为4( 总的脚数)x0.75=3。通常完全可以通过前述的相对位相和占空比将在一个步行周期中各脚1 次游脚化的步行方式、抬脚顺序、抬脚落脚的时刻给定。
把步行中的抬脚顺序及时刻称为步态。前述的乌龟的步态称为爬行步态。
2.小跑步态(trot)：小跑步态与乌龟的爬行步态完全不同，以蜥蜴为例两脚同时为游脚。
处于对角线上的两脚相对相位相同，恰好是2 拍步法。将此步态称为“小跑步态”。鳄鱼也有小跑步态。
马在啪踏啪踏慢行时也是接近2 拍，几乎与爬行步态相同，但占空比小于0.75 ，再快一些踏踏地走时为完整的2拍，此时为小跑步态。
3.溜蹄(pace)跑步态：当马车拉载时常常是溜踢步态(pace)。
4.跳跃跑步态：马快跑时，步态变为跳跃跑步态。
就象乌龟的爬行步态那样，都是总能保证有3只脚支撑的步态。因此，总能保证有3 只脚支撑成为步行稳定性判定的指标。我们称其为“静态稳定性”。
保持静态稳定性的步态被称为“静步行”；此时，从重心在地面的投影点到着地多边形最近的边的距离被称为“稳定裕度”。特别地，只考虑前后方向的情况下，把从重心在地面投影点到沿着前进方向测得的边的距离称为“纵向稳定裕度”。 与三点支撑的静步行相反，蜥蜴的小跑步态中，步行中的各瞬间只有两脚着地。
仔细研究它的脚底的面积发现，它的重心投影点恰好落在两着地脚脚底连成的阴影部分面积(支撑区域)之内，成为静态稳定性条件。但是，蜥蜴不是一定保持其重心在该区域内的。同样人在步行时，单脚支撑期间，也不一定保持身体重心落在支撑脚的脚底着地区域之内。
尽管不是静态稳定的，但仍能稳定的持续步行，这归功于动态作用效果。
3、试分析蜥蜴比乌龟步行速度快的根本原因。
蜥蜴的步行速度比乌龟的快，这里把从躯体上看游脚平均向前摆动的速度设为定值，试算出因步态引起的前向行走速度的不同。
爬行步态的占空比为0.75 ；2 拍步行的小跑步态占空比为0.5。
设一个周期时间为t 、占空比为β、躯体的相对地面行进速度为v、从躯体上看相对的游脚平均速度为u ，则：游脚时间为(1- βt 、游脚摆动的步幅λ为(1- βt (u + v ) 因一个周期内躯体移动量等于一步的步幅，所以有：λ=t v 。
由此，步行速度为：v=(1-β/u 由上式可知：β=0.
75 的爬行步态v=0.33u ，β0.5的小跑步态v= u，速度快了3 倍。
因此占空比小的步态更适合于快速步行。而且当占空比小于0.75 时支撑脚相对于躯干的速度要比游脚速度大，步行速度取决于支撑脚以多快的速度向后蹬腿。
5、蜻蜓的翼翅结构的特点及仿生蜻蜓翼翅研究小型飞行器的意义何在？
蜻蜓的翅膀主要翅脉和翅膜组成，还包括翅痣和关节。蜻蜓的翅膀仅占其体重的2%左右，翅膀的前缘和后缘呈流线型，增加了它的灵活性。
1.翅脉是翅膀的主要支撑结构。有非常好的柔韧性。翅脉是管状结构，既减少了重量有增加了刚度。
2.翅膜是翅膀的主要的空气动力结构，它非常薄，一般只有2.3微米，在飞行时可以随时弯曲变形。
3.翅痣是空腔，里面有液体。这块芝麻大小的结构极具意义，他消除了飞行过程中翅膀的震颤。
4.关节也叫翅节，在蜻蜓翅膀前缘的中间位置。将翅膀的前后两部分铰接在一起，其两边的结构可以相互转动但不能分离，提高了蜻蜓膜翅的变形能力。还可以缓解高速拍翼时产生的震动。
基于蜻蜓翅膀独特的网状翅脉结构特征与功能，以及高效节能的拍翼飞行方式，可以仿生柔性机翼模型，它们由多层复合材料薄板和管状的梁组成，且在管状梁中充填电致硬化液体，在机翼的前缘设置类似于翅痣的制振、消震装置，在翅膀前缘靠近中部位置，设置可活动铰。分析蜻蜒作扑翼飞行时这种网状翅脉结构、翅痣、可活动关节以及翅膀中的充液对蜻蜓作高机动飞行时的飞行姿态控制和翅膀颤震的制振作用，从而用于指导新型智能飞行器作扑翼飞行的柔性机翼仿生设计。
7、蜻蜓翅膀断面形状与通常飞机的翼翅断面形状有何不同？
飞机的翼翅断面是流线型而蜻蜓翅膀断面形状是像锯齿一样的形状。具有锯齿状断面的翼具有较高的升阻比， 刚度也高。 升阻比是升力与阻力的比。
升力是与翼运动方向垂直的力，是与能量消耗无关的力。阻力是与翼的运动平行的力，伴随着能量消耗。我们期望的翼应该是：
尽可能在较小的能量消耗下，产生尽可能大的升力(即有效的飞行力)。所以，具有高升阻比的翼既是高性能的翼。
蜻蜓翅膀断面形状不是流线型而是像锯齿一样的形状，即使这样，其升阻比也不会降低很多。为提高翼的性能，一旦降低翼厚比则翼的刚度下降，但是非流线型的锯齿形断面形状却补偿了刚度的下降。像锯齿形的能够折曲、右侧被固定的板作为翼。
这种翼的特点是：当力作用在翼上时产生的弯曲变形、扭转变形要比弯折时的变形要小。即，由于翼的断面形状像锯齿一样，板的刚度因此而得到提高。
使弯曲变形变小的是弯曲刚度增加；使扭转变形变小的是弯扭刚度增加。前者增加不依赖于板的厚度，而后者的增加则限于薄板的情况下。
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