捕鸟蛛腿部运动及其液压驱动研究

发布时间：2020-11-03 20:36

　　 随着工业化进程的不断发展,机械行业随之迅猛发展,同时也带动了液压设备的发展。液压传动系统是液压装备的核心系统,其应用遍及工业各领域。然而目前的液压系统普遍存在结构复杂、功率质量比低、响应时间长、能效低等问题亟待解决。经历了亿万年的自然选择与优胜劣汰,智利捕鸟蛛由于觅食、捕食、逃跑等生存需求而进化并具备了特殊的“生物液压系统”,能够利用较低的内部流体压力实现高效的驱动和运动,并具备无污染、结构紧凑、高效率与功率质量比、运动协调控制、稳定可靠等优点。故本文选择捕鸟蛛为研究对象,分析其高效液压驱动机制,揭示其驱动原理,为新型液压系统技术的发展提供生物力学基础,具有重要的科学意义和工程实用价值。通过搭建试验平台并利用高速摄像以及三维跟踪软件Simi Motion运动分析系统研究了水平硬路面、水平松软路面、斜坡松软路面三种不同环境下捕鸟蛛的关节运动学规律,分析了一个周期内其关节角的变化范围,其步态模式完全吻合交替四角步态模式,捕鸟蛛在三种路面环境下,八条腿的负载因数即支撑期都大于50%有的甚至达到70%,这表明蜘蛛行走具有良好的稳定性。研究发现,液压驱动的关节腿节-膝节、胫节–跗节两个关节关节角变化范围大,这在一定程度上说明说明有液压驱动的关节对于蜘蛛行走作用大、效果明显。观察捕鸟蛛腿部生理切片,发现肌肉团附着在外骨骼内侧,并包裹着血淋巴管,通过肌肉的收缩改变管道直径大小,从而能控制腿部血淋巴压力的大小,内部的流体压力应该是肌肉和血淋巴自身压力共同作用的结果。通过局部电镜显微观测试验,可以清楚看到捕鸟蛛腿节-膝节中,屈膝肌一头连在腿节表面的背侧,一头直接连接膝节的边缘,屈膝肌提供腿-膝关节强弯曲力,最长的肌肉是膝节长屈肌,它开始于转节的侧端,经过整个腿节,另一端连结在膝节的一个马蹄形的几丁质板上面,它的弯曲强度远小于屈膝肌,此关节中没有伸肌的存在。胫节-跗节中包含屈跗肌和跗节长屈肌两块肌肉,也没见到伸肌的存在。利用Amira软件对Micro-CT扫描分析试验获得的数据进行了三维重建,获得了捕鸟蛛一侧四条步足的三维模型。通过Amira软件切平面功能,观察分析了四条步足内部流体(血淋巴)通道的走向和分支,大致了解了步足内部通道。发现在关节处存在许多球状的腔窦,可能与存贮液体有关。利用Geomagic Studio软件提取了蜘蛛步足腿节-膝节、胫节-跗节两个关节的内部流体(血淋巴)通道,并减小数据量,光滑、填充了表面,生成了曲面文件。最后转化成实体模型.对捕鸟蛛腿部腿节-膝节、胫节-跗节内的流道进行了CFD仿真,分析了其对于高效液压驱动的影响。研究发现,蜘蛛腿部两关节内通道均相通,且通道沿腿部长轴方向的截面存在宽窄切换的特殊结构。仿真表明,该结构可有效的增大流经该区域流体的流速和压力,这有利于蜘蛛腿部压力的高效驱动。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH137
【部分图文】：

图 1.1 蜘蛛死后步足的弯曲 图 1.2 捕鸟蛛的捕食行为研究表明，动物的运动十分精细与复杂，是由骨骼-肌肉系统、神经系统、感知器官等一系列组织器官协调配合作用的结果,能适应各种不同的环境。不同物种

图 1.1 蜘蛛死后步足的弯曲 图 1.2 捕鸟蛛的捕食行为研究表明，动物的运动十分精细与复杂，是由骨骼-肌肉系统、神经系统、感知器官等一系列组织器官协调配合作用的结果,能适应各种不同的环境。不同物种

图 1.3 智利红玫瑰 图 1.4 捕鸟蛛的步足早在 1909 年，Petrunkevitch 就通过解剖实验发现了蜘蛛腿部腿节-膝节、胫节–跗节两个关节处缺少相应的伸肌[9]。1944 年 William C. Kerckhoff 讨论分析得出蜘蛛的体内存在液压系统，运动时靠液压力驱动步足伸展实现向前跨步运动，依
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本文编号：2869069