基于鸵鸟跗骨间关节承载与运动特征的柔顺性仿生关节研究

发布时间：2020-06-14 05:46

【摘要】：机械腿中间位置关节,对于足式机器人的承载和运动起到至关重要作用。传统关节设计通常将关节运动简化为关节处动力驱动的铰接式旋转运动。因此,这将造成腿部转动惯量增大、柔顺性变差、稳定性欠佳等问题。为了对关节设计进行优化,本文司法自然,以能够在复杂地形高速运动非洲鸵鸟的跗骨间关节为仿生原型,结合足底特殊曲面作为地面状况感知反馈,设计了一种绳索驱动球副仿生柔顺关节。通过外场试验,本文对鸵鸟跗骨间关节的运动数据及对应足底压力进行了采集。本文采用运动分析系统Simi Motion和足底压力分析系统Footscan,分别对鸵鸟在硬/软地面上行走和奔跑步态下的运动参数和足底压力数据进行分析。结果表明,关节角在奔跑步态下,相对于松软地面,硬质地面上触地期会出现一个明显的峰值。同时,通过足底压力分析得到,当鸵鸟在硬质地面运动时,第Ⅲ和第Ⅳ趾同时触地,随后第Ⅳ趾首先离地,然后第Ⅲ趾依次离地。当鸵鸟在松软地面运动时,第Ⅲ趾中部首先触地,随后第Ⅳ趾触地再离地,然后第Ⅲ趾逐渐离地。本文通过大体解剖、CT扫描、纳米压痕对鸵鸟跗骨间关节的尺寸及其材料力学参数进行了测试。结果表明,关节外侧有半月板,形状走向与矢状面平行,内侧无半月板,与矢状面成15°夹角。胫骨远端软骨厚度较为均匀,均值为0.54mm,跗跖骨近端软骨在骨窝处软骨厚度明显大于中部位置。跗跖骨近端关节处存在两个滋养孔,呈现43°夹角排布,滋养孔周围的力学特性呈现非均匀分布。通过CT数据Hu值得到滋养孔周围的密度和弹性模量的推算公式,经过纳米压痕测量数据验证,该公式能准确估算滋养孔周围的骨骼材料力学特性。本文通过CT扫描及逆向工程技术重构了鸵鸟跗骨间关节的三维模型,并对关节的承载特性以及滋养孔应力集中影响因素进行了分析。通过对关节静态承压分析可知,胫骨骨髁和跗跖骨骨窝为关节的主要承载区域。前侧载荷明显大于后侧载荷,外侧载荷明显大于内侧载荷。载荷偏向于后侧,胫骨骨髁后部的棘刺、外侧后角尾骨能有效防止关节过度伸展。载荷偏向于外侧,有益于增加支点距离,增加鸵鸟静态站立的稳定性。通过动态分析可知,触地过程中关节表面载荷从关节内侧逐渐转移到中部和外侧,从前侧逐渐转移到后侧。最后,通过对鸵鸟跗骨间关节滋养孔双孔形状、孔径走向、构建外形、孔周围非均匀性材料和载荷位置对滋养孔应力分布的影响数值模拟表明,这些因素通过将应力区域转移到孔洞周围区域,来避免因孔洞的存在导致力学性能削弱。通过对鸵鸟跗骨间关节关键结构因素优化简化,采用工程仿生技术,本文设计了一种绳索驱动的机器人仿生柔顺关节;同时结合足底压力曲面,本文设计了一套足底感知反馈调整系统。结果表明,仿生关节在地面粒径和硬度越大的地面上运动,触地期角度变化的范围也越大,即关节在硬度越大的地面介质上运动所受冲击越大。同时,通过仿生关节在不同硬度地面上的运动,验证了足底感知辅助支撑系统的有效性。本文设计绳索驱动的球副式仿生关节,能够实现各种地面的稳定运动、能够有效减小关节的转动惯量并且通过球副关节的滑动和绳索的收缩来增大关节的柔顺性。此外,足底感知系统能够有效判断地面环境的松软程度,从而驱使辅助趾运动,达到辅助支撑的效果。本文的研究对于足式机器人的关节设计、驱动形式和运动优化有着重要的参考价值和启发意义。 【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q811

【图文】：

对比图,脂肪,对比图,前交叉韧带重建

图 A 健康脂肪细胞图 B 炎症脂肪细胞图 1.1 髌下脂肪对比图[8]前交叉韧带撕裂是一种常见的关节软组织损伤，通常的治疗方法是韧带重建手术，其目的是恢复膝关节的稳定性和预防继发性骨关节炎。尽管临床效果很好，但是从长期来看年轻患者韧带重建后仍然会面临关节的早期退化—以关节炎的形式表现出来。G. Marchiori 等人为了炎症的诱发因素和病变过程，采用动态立体摄影测量和核磁成像技术，对关节的生物力学和软骨组织形貌进行了分析。通过对 42 名患者 18 个月的跟踪调查表明，韧带重建手术后，长期来看会造成不同程度的韧带松弛，从而导致关节内软骨的负荷失衡，最终导致软骨磨损和退化[9]。Deckers C 等人对平均随访时间为 23 周(范围为 1—104 周)的 29 项动物前交叉韧带重建影响对比研究进行了系统的概括。结果表明前交叉韧带重建不能使关节软骨免受退行性改变。基于发病机理的一致性，文章推测前交叉韧带重建对于人类关节软骨的病变过程可能是一致的[10]。

云图,半月板,云图,载荷

图 A 健康脂肪细胞图 B 炎症脂肪细胞图 1.1 髌下脂肪对比图[8]前交叉韧带撕裂是一种常见的关节软组织损伤，通常的治疗方法是韧带重建手术，其目的是恢复膝关节的稳定性和预防继发性骨关节炎。尽管临床效果很好，但是从长期来看年轻患者韧带重建后仍然会面临关节的早期退化—以关节炎的形式表现出来。G. Marchiori 等人为了炎症的诱发因素和病变过程，采用动态立体摄影测量和核磁成像技术，对关节的生物力学和软骨组织形貌进行了分析。通过对 42 名患者 18 个月的跟踪调查表明，韧带重建手术后，，长期来看会造成不同程度的韧带松弛，从而导致关节内软骨的负荷失衡，最终导致软骨磨损和退化[9]。Deckers C 等人对平均随访时间为 23 周(范围为 1—104 周)的 29 项动物前交叉韧带重建影响对比研究进行了系统的概括。结果表明前交叉韧带重建不能使关节软骨免受退行性改变。基于发病机理的一致性，文章推测前交叉韧带重建对于人类关节软骨的病变过程可能是一致的[10]。

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