基于鸵鸟足部生物组装特征的越沙机械腿足部仿生研究
发布时间：2021-02-15 19:48
非洲鸵鸟作为陆地上奔跑最快的双足动物,长期生活在沙漠中。鸵鸟后肢具有优异的越沙特性,尤其是足部结构,对鸵鸟在沙漠环境中高效运动起到了至关重要的作用。本文模仿鸵鸟后肢结构特点和肌腱骨骼协同运动的刚柔耦合机制,利用工程仿生技术,设计出一种适用于沙地面行走的仿生机械腿,并对仿生机械腿的越沙性能进行了试验分析。通过对鸵鸟足部样本的大体解剖,深入分析鸵鸟足部生物组装特征,研究了鸵鸟足部骨骼形态结构、各节趾骨间连接特点以及骨骼与肌腱间连接机制。结合文献数据,对鸵鸟足部不同肌腱分类、合并、优化,用于鸵鸟足部模型重构和仿生设计。利用手持式三维激光扫描仪,对鸵鸟足部模型进行三维扫描、拼接与重构,给出了一种针对复杂扫描对象拼接优化的方法。根据鸵鸟足部重构模型,结合鸵鸟足部骨骼和肌腱真实形态结构和相对位置,利用三维软件建立鸵鸟足部三维模型,为仿生机械腿的足部结构设计提供依据。针对鸵鸟足部生物组装结构特点,对鸵鸟足部肌腱进行功能仿生。设计出腱骨协同刚柔耦合仿生机械腿的足部结构,并对仿生机械腿关键部件进行优化设计。分析了仿生机械腿足部结构特点和工作原理,探索了新设计仿生机械腿的越沙缓震功能。基于ADAMS/Ca...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外双足仿人机器人[15-21]
(d) 机器人“SDR-4X” (e) 机器人“PetMan” (f) 机器人“Atlas”图 1.1 国外双足仿人机器人[15-21]我国双足仿人机器人研究始于 20 世纪 80 年代，经过多年努力取得了良好。2000 年国防科技大学研制出我国第一台双足仿人机器人“先行者”如图 1.2（示，该机器人采用电机驱动，能够实现平地静态步到动态步的转换，腿部结采用串联形式。2002 年由北京理工大学牵头研制的 BHR 机器人如图 1.2（示，行走速度为 1.0 km/h，依靠传感器感知路面情况变化，通过控制系统实部动作调整，实现在复杂地面上的稳定行走，足底包裹有橡胶垫起到缓冲减用[22]。2011 年浙江大学的朱秋国研制出两款双足仿人机器人“ZJUKong-Ⅰ 1.2（c）所示，及其改进型号“ZJUKong-Ⅱ”，运行速度分别为 0.8 km/h、1.1 km部结构与大部分双足仿人机器人类似，具有 6 个自由度能实现前进、后退、等动作。两代机器人足部结构都为矩形，为了降低落地时地面对机器人腿部击，足底安装有减震垫和橡胶垫。最新研制的足部结构加入了脚跟和脚趾两由度[23]，能够更好的适应地面行走。
(e) 机器人“Hamlet” (f) 机器人“DLR-Crawler”图 1.3 国外多足仿生机器人[24-32]国内也有许多高校和科研院所对多足仿生机器人展开研究，虽然相比于国外还存在一定的差距，但也取得了较大进步。哈尔滨工业大学、华中科技大学、中科院沈阳自动化所等单位联合研制的四足仿生足式机器人“MBBOT”如图 1.4（a）所示，小腿安装有弹簧可提高不平路面的适应能力，足端为半圆柱形[33]。国防科技大学研究的四足机器人如图 1.4（b）所示，足端也为半圆柱形[34]。上海交通大学研制的“小象”机器人如图 1.4（c）所示，腿部结构为一个整体，足端为圆形[35-36]。北京理工大学以日本弓背蚁为仿生原型研制的六足仿生机器人如图 1.4（d）所示，该机器人每条腿部有 3 个自由度，各关节通过直流无刷电机驱动[37-38]。依靠控制系统保证机器人以“三角步态”运动，通过超声波和红外传感器实现障碍规避。2015 年河北工业大学设计了一款六足仿生机器人如图 1.4（e）所示[39]。该机器人单腿有 3 个自由度，足端为椭圆形，足部串联有弹性元件，能够根据足底压力进行自我调节。除上述多足仿生机器人之外，北方车辆研究所、清华大学、山东大学等单位在多足仿生机器人方面也有深入的研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]绳索驱动的仿生关节设计与仿真分析[J]. 王从浩,张春,林佳裔,朱春涛. 机械工程师. 2018(05)
[2]仿生腿足式机器人的发展——浙江大学控制学院机器人实验室熊蓉教授谈国内外腿足式机器人研究情况[J]. 熊蓉. 机器人技术与应用. 2017(02)
[3]自定位手持式三维激光扫描仪精度测试与分析[J]. 李泉,程效军. 测绘通报. 2016(10)
[4]越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真[J]. 张锐,吉巧丽,张四华,李建桥. 农业工程学报. 2016(15)
[5]火星巡视器鼓形车轮仿生设计与性能分析[J]. 张锐,吉巧丽,杨明明,李建桥. 农业机械学报. 2016(08)
[6]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[7]基于ADAMS/Cable模块的柔索驱动仿真研究[J]. 韩莉莉,许军辉,宁祎,朱邦河. 中原工学院学报. 2014(06)
[8]基于ADAMS的钢丝绳建模方法研究[J]. 田春伟,马军星,王进,李强. 建筑机械化. 2014(07)
[9]基于Adams和Marc仿真的桥式起重机桥架结构机械性能研究[J]. 冯超,张红伟. 北京交通大学学报. 2014(01)
[10]基于ADAMS的缠绕类柔索建模方法研究[J]. 许军辉,宁祎,朱邦河. 河南科技. 2014(01)
博士论文
[1]滑轮绳索多体系统的动力学建模与仿真研究[D]. 汪菁.大连理工大学 2017
[2]六足机器人崎岖地形步行运动规划与控制策略研究[D]. 陈杰.哈尔滨工业大学 2017
[3]可变形六足仿生机器人运动分析与控制研究[D]. 于常娟.河北工业大学 2016
[4]非洲鸵鸟胫骨的形态学特征及硼对其生长发育的影响[D]. 程佳月.华中农业大学 2011
硕士论文
[1]仿驯鹿蹄冰面防滑胎面结构研究[D]. 乔钰.吉林大学 2018
[2]仿鸵鸟后肢节能减振机械腿研究[D]. 何远.吉林大学 2018
[3]弹性连杆机构式四足机器人设计与运动控制研究[D]. 任灏宇.重庆大学 2017
[4]牧羊犬仿生机器人机构设计及ADAMS仿真[D]. 刘学哲.东北林业大学 2017
[5]四足仿生机器人跑跳运动规划与控制[D]. 李川.浙江大学 2017
[6]基于鸵鸟跖趾关节结构特性的减振自适应步行足仿生研究[D]. 罗刚.吉林大学 2016
[7]基于阻抗控制的四足仿生机器人稳定步态理论及实验研究[D]. 丁庆鹏.哈尔滨工业大学 2016
[8]液压驱动双足机器人动步态行走研究[D]. 吴坤坤.哈尔滨工业大学 2016
[9]基于鸵鸟足底形态特征的火星巡视器车轮仿生研究[D]. 杨明明.吉林大学 2015
[10]仿生机器人足端与地面相互作用机制及实验研究[D]. 马国威.中国科学技术大学 2015
本文编号：3035438
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外双足仿人机器人[15-21]
(d) 机器人“SDR-4X” (e) 机器人“PetMan” (f) 机器人“Atlas”图 1.1 国外双足仿人机器人[15-21]我国双足仿人机器人研究始于 20 世纪 80 年代，经过多年努力取得了良好。2000 年国防科技大学研制出我国第一台双足仿人机器人“先行者”如图 1.2（示，该机器人采用电机驱动，能够实现平地静态步到动态步的转换，腿部结采用串联形式。2002 年由北京理工大学牵头研制的 BHR 机器人如图 1.2（示，行走速度为 1.0 km/h，依靠传感器感知路面情况变化，通过控制系统实部动作调整，实现在复杂地面上的稳定行走，足底包裹有橡胶垫起到缓冲减用[22]。2011 年浙江大学的朱秋国研制出两款双足仿人机器人“ZJUKong-Ⅰ 1.2（c）所示，及其改进型号“ZJUKong-Ⅱ”，运行速度分别为 0.8 km/h、1.1 km部结构与大部分双足仿人机器人类似，具有 6 个自由度能实现前进、后退、等动作。两代机器人足部结构都为矩形，为了降低落地时地面对机器人腿部击，足底安装有减震垫和橡胶垫。最新研制的足部结构加入了脚跟和脚趾两由度[23]，能够更好的适应地面行走。
(e) 机器人“Hamlet” (f) 机器人“DLR-Crawler”图 1.3 国外多足仿生机器人[24-32]国内也有许多高校和科研院所对多足仿生机器人展开研究，虽然相比于国外还存在一定的差距，但也取得了较大进步。哈尔滨工业大学、华中科技大学、中科院沈阳自动化所等单位联合研制的四足仿生足式机器人“MBBOT”如图 1.4（a）所示，小腿安装有弹簧可提高不平路面的适应能力，足端为半圆柱形[33]。国防科技大学研究的四足机器人如图 1.4（b）所示，足端也为半圆柱形[34]。上海交通大学研制的“小象”机器人如图 1.4（c）所示，腿部结构为一个整体，足端为圆形[35-36]。北京理工大学以日本弓背蚁为仿生原型研制的六足仿生机器人如图 1.4（d）所示，该机器人每条腿部有 3 个自由度，各关节通过直流无刷电机驱动[37-38]。依靠控制系统保证机器人以“三角步态”运动，通过超声波和红外传感器实现障碍规避。2015 年河北工业大学设计了一款六足仿生机器人如图 1.4（e）所示[39]。该机器人单腿有 3 个自由度，足端为椭圆形，足部串联有弹性元件，能够根据足底压力进行自我调节。除上述多足仿生机器人之外，北方车辆研究所、清华大学、山东大学等单位在多足仿生机器人方面也有深入的研究。
【参考文献】：
期刊论文
[1]绳索驱动的仿生关节设计与仿真分析[J]. 王从浩,张春,林佳裔,朱春涛. 机械工程师. 2018(05)
[2]仿生腿足式机器人的发展——浙江大学控制学院机器人实验室熊蓉教授谈国内外腿足式机器人研究情况[J]. 熊蓉. 机器人技术与应用. 2017(02)
[3]自定位手持式三维激光扫描仪精度测试与分析[J]. 李泉,程效军. 测绘通报. 2016(10)
[4]越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真[J]. 张锐,吉巧丽,张四华,李建桥. 农业工程学报. 2016(15)
[5]火星巡视器鼓形车轮仿生设计与性能分析[J]. 张锐,吉巧丽,杨明明,李建桥. 农业机械学报. 2016(08)
[6]仿生机器人研究现状与发展趋势[J]. 王国彪,陈殿生,陈科位,张自强. 机械工程学报. 2015(13)
[7]基于ADAMS/Cable模块的柔索驱动仿真研究[J]. 韩莉莉,许军辉,宁祎,朱邦河. 中原工学院学报. 2014(06)
[8]基于ADAMS的钢丝绳建模方法研究[J]. 田春伟,马军星,王进,李强. 建筑机械化. 2014(07)
[9]基于Adams和Marc仿真的桥式起重机桥架结构机械性能研究[J]. 冯超,张红伟. 北京交通大学学报. 2014(01)
[10]基于ADAMS的缠绕类柔索建模方法研究[J]. 许军辉,宁祎,朱邦河. 河南科技. 2014(01)
博士论文
[1]滑轮绳索多体系统的动力学建模与仿真研究[D]. 汪菁.大连理工大学 2017
[2]六足机器人崎岖地形步行运动规划与控制策略研究[D]. 陈杰.哈尔滨工业大学 2017
[3]可变形六足仿生机器人运动分析与控制研究[D]. 于常娟.河北工业大学 2016
[4]非洲鸵鸟胫骨的形态学特征及硼对其生长发育的影响[D]. 程佳月.华中农业大学 2011
硕士论文
[1]仿驯鹿蹄冰面防滑胎面结构研究[D]. 乔钰.吉林大学 2018
[2]仿鸵鸟后肢节能减振机械腿研究[D]. 何远.吉林大学 2018
[3]弹性连杆机构式四足机器人设计与运动控制研究[D]. 任灏宇.重庆大学 2017
[4]牧羊犬仿生机器人机构设计及ADAMS仿真[D]. 刘学哲.东北林业大学 2017
[5]四足仿生机器人跑跳运动规划与控制[D]. 李川.浙江大学 2017
[6]基于鸵鸟跖趾关节结构特性的减振自适应步行足仿生研究[D]. 罗刚.吉林大学 2016
[7]基于阻抗控制的四足仿生机器人稳定步态理论及实验研究[D]. 丁庆鹏.哈尔滨工业大学 2016
[8]液压驱动双足机器人动步态行走研究[D]. 吴坤坤.哈尔滨工业大学 2016
[9]基于鸵鸟足底形态特征的火星巡视器车轮仿生研究[D]. 杨明明.吉林大学 2015
[10]仿生机器人足端与地面相互作用机制及实验研究[D]. 马国威.中国科学技术大学 2015
本文编号：3035438
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