山羊足防滑缓冲特性研究与仿生足设计

发布时间：2020-08-28 12:37

　　山羊足防滑缓冲特性研究与仿生足设计四足机器人的运动理论日臻完善,国内外研究成果丰硕,四足机器人已经基本能在结构化路面实现如平地跑跳、斜坡行走和攀爬楼梯等运动。然而,四足机器人在复杂路面的行走稳定性与四足动物还有很大差距。本文从影响其稳定行走的关键部位,四足机器人足部的设计需求出发,以山羊足为仿生原型,观察其运动特点和结构形态,研究其防滑和缓冲机理,并进行仿生足设计,为具有防滑缓冲特性的四足机器人足端设计提供理论和技术支持。利用高速摄像系统对山羊足运动进行观察,将其一个完整的运动周期细分为2个时期和4个阶段,并详细描述山羊足不同阶段的状态。利用比利时高频压力平板测试系统Footscan,研究山羊足底压力分布特征。结果表明,山羊在常速行走时,其前足和后足受到地面最大垂直地反力分别约占体重的67.5%和37.5%;在一个运动周期内,后肢的落脚点几乎是对应前肢的原支撑点,整个运动的重复性高;山羊前足的足底压力峰值由其体重的57.5%(慢速行走)增加至约占山羊体重的92.5%(对角小跑),同时山羊蹄球压力占足底压力由52%提升至78%。对山羊足进行外观形态描述,分析不同结构在运动过程中的作用。山羊蹄张开能牢牢夹住岩石,闭合能像钉子一样卡在石缝,既能防滑又利于寻找落脚点。足底斜向内凹,起到固土作用,限制下方的土壤流动。对山羊足重要几何尺寸进行测量,并对足部进行大体解剖试验,表明山羊足外观形态和内部结构符合一般偶蹄动物模式。使用扫描电子显微镜对蹄匣特征部位进行观察,发现蹄匣壁横截面分布大量细孔,从外向内沿壁厚方向孔径增加,长短轴的比率逐渐减小,细孔逐渐由椭圆向圆形过渡;蹄球纵切面主要分为两层,上层包含许多倾斜的细孔结构,以蜂窝状的方式排列,孔径自上而下逐渐减小最终消失,下层是致密的实体,未发现任何特殊结构;蹄球组织结构由内向外分为皮下组织、真皮层和表皮层。蹄球皮下组织由脂肪小叶和疏松结缔组织构成,其中分布大量的脂肪细胞;蹄球真皮层由内向外分为网状层和乳头层;蹄球表皮层由内向外分为基底层、棘细胞层、颗粒层、透明层和角质层。运用逆向工程技术重构山羊足三维模型,并进行有限元分析,研究足底不规则形态在土壤和岩石地面的防滑性能,结果表明山羊足具有良好的防滑特性。基于蹄球组织微观结构,构建分层三维缓冲模型,并进行模型与地面碰撞的有限元分析,结果表明蹄球组织具有良好的缓冲特性,不同层结构能根据地反力的大小自动调节冲击力的吸收比。以山羊足为仿生原型,根据其运动特点和形态结构设计仿生足,并联合使用SolidWorks和RecurDyn软件,实现了仿生足的三维模型构建与动力学仿真分析。结果表明仿生足在与地面相互作用过程中运行平稳,关节1产生较大转动,关节2、3转动较小;仿生足通过关节的调整能够起到防滑缓冲作用,有效的降低各个零部件的内部应力。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q811
【部分图文】：

机器人,四足机器人

Shimoyama 展开了四足机器人腿足动态运动控制研究，这被视为第一次对四足机器人进行系统性的研究[11]。经过几十年的不断探索和发展，四足机器人技术进入了一个蓬勃发展时期，尤其进入 2000 年后四足机器人表现出更加出色的性能2005 年，Boston Dynamics 公司研制并发布了第一代 BigDog 四足机器人，如图 1.1 所示。BigDog 的机身采用机械方式进行组装，设计参考了四足哺乳动物的躯体，四肢关节型结构可以有效的吸收冲击。BigDog 由一台汽油发动机作为动力源，通过发动机驱动液压系统输出动力，控制每段肢体的运动，使得整机的 16 个自由度完美配合，可以在横纵两个方向自由移动，实现了躯体的灵活运动[12,13,14]。意大利技术研究院研制的四足机器人 HyQ，采用电液混合驱动，由电机控制腿部侧摆关节运动，由液压缸负责其他关节的驱动，具有独立能源系统，如图 1.2 所示。HyQ 能够在崎岖地面上稳定前行，具有一定的抗干扰能力，起跳高度可达 0.5m，最高行进速度可达 2m/s[15,16,17]。

机器人,四足机器人

机器人

第一章绪论2008 年，韩国工业技术研究院和 Rotem 公司研制出了全液压四足机T-2，如图 1.3 所示。该机器人共有 12 个俯仰自由度和 4 个横滚自由在平坦地面实现俯卧和平稳行走[18]。Boston Dynamics 公司发布了第Dog，整体性能更加优异。如图 1.4 所示。第二代 BigDog 集成了立体LiDAR 传感器系统用于 3D 地形重建，可利用该系统查找合适的路径仪的指引下达到目标位置，在没有操作员参与的情况下可以追踪最远目到 130m，测试成功率约为 23/26[19,20]。

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