基于鸵鸟足趾运动学特性的多姿态轮脚仿生步行轮研究

发布时间：2018-04-05 15:04

  本文选题：鸵鸟足趾姿态　切入点：关节运动学　出处：《吉林大学》2017年硕士论文

【摘要】：基于鸵鸟足趾在沙土中优越的通过性能,研究了鸵鸟足趾关节硬地面和沙地面运动学,自适应越沙运动机制及鸵鸟足趾多姿态越沙动态仿真;利用工程仿生技术,设计了四种多姿态轮脚仿生步行轮,并对所设计的仿生步行轮的沙地通过性能进行了试验研究。本文提供了一种全新的越沙步行轮轮脚的研究方法,即通过轮脚姿态变换使步行轮具有主动越沙功能。通过搭建外场试验台并利用高速摄像和三维追踪软件Simi Motion运动分析系统研究了硬地面上鸵鸟足趾的关节运动学。硬地面上奔跑步态下的跨步周期和触地期比行走步态要短,而步长却增大,摆动期没有显著差异。第Ⅲ跖趾关节MTP3角度(?)和第Ⅳ跖趾关节MTP4角度(?)的变化范围最大,然而第Ⅳ趾的第1段趾骨表现出了最大的运动波动性。第Ⅲ趾和第Ⅳ趾趾骨间关节角度在行走和奔跑步态下表现出相似的运动模式,但是,第Ⅲ跖趾关节MTP3、第Ⅳ跖趾关节MTP4变化和跖趾关节的垂直位移在行走和奔跑两种步态下却表现出显著差异。在本文研究的速度范围内,鸵鸟的第Ⅲ跖趾关节MTP3和第Ⅳ跖趾关节MTP4表现出高度的同步性。这表明第Ⅲ趾和第Ⅳ趾是作为一个“集成系统”来发挥作用,其中第Ⅲ趾主要承担载荷同时第Ⅳ趾起到补充支撑负载的作用以确保永久提升的跖趾关节的横向稳定性。沙地面上,鸵鸟在奔跑步态下的跨步周期和触地期比行走步态要短,然而步长却增大,但摆动期没有显著差异。沙地面上足趾趾骨间关节角度(?(11)?(11)?)在行走和奔跑步态触地期内的具有相似的变化模式,且步态对于足趾趾骨间关节角度(?(11)?(11)?(11)?(11)?(11)?)的四个关键指标(角度在刚触地,触地中期,离地时刻,变化范围的数值)均没有产生显著性差异。沙地面上行走和奔跑两种步态下跖趾关节的垂直位移z表现出显著不同的模式。奔跑步态下跖趾关节在触地中期时比行走步态下要离地面更近,离地高度分别约为7.0 cm和11.1cm。运动步态对于跖趾关节在侧向x和前进方向y的位移变化范围均没有显著影响,这表明跖趾关节可能有效防止了足趾运动中的过度移动,并起到保护足趾的作用。步态对于趾甲的前进方向位移y的变化范围出现显著差异,行走和奔跑步态下该位移的变化范围分别约为3.6 cm和5.2 cm,这进一步表明趾甲在沙地中运动时起到定位锚的作用。利用离散元软件EDEM对鸵鸟足趾在行走和奔跑步态下的越沙过程进行动态仿真。整个触地期中,奔跑步态时足下颗粒速度场和颗粒力场均比行走步态的分布密集。行走步态下,足趾对表层沙土扰动较明显,但沙土厚度对于奔跑步态下扰动情况没有显著影响。在触地期的0~50%时刻中,奔跑步态下颗粒对足趾的平均接触力大于行走步态,最大接触力值约为7.5×10-3N。在触地期的0~40%时刻内,奔跑步态下足趾受到的侧向力和垂直力比行走步态大,表明25%姿态和50%姿态在奔跑运动中均起到防侧滑下陷的作用。刚触沙时,行走奔跑两种步态下足底受力分布较为均匀。当处于触地中期和离沙阶段时,奔跑步态下足趾趾尖和趾背两侧受力明显比行走步态大且密集,进一步说明鸵鸟足趾两侧的乳突和趾背鳞片起到保护足趾免被砂砾磨损的作用。基于鸵鸟足趾越沙姿态分别设计并加工了人形轮、一形轮、V形轮、组合轮四种仿生步行轮和普通轮,利用实验室研制的车轮/土壤土槽测试系统测试并分析了仿生步行轮在沙地上的牵引通过性能。当轮上载荷为10N且滑转率在17%~33%范围内变化时,普通轮在沙地上牵引通过性相对最好。当轮上载荷为20N和30N且滑转率在17%~23%范围内变化时,人形轮对应的挂钩牵引力和牵引效率均最大,轮辙呈“W”形,通过性相对最好。当轮上载荷为50N和70N且滑转率大于35%时,一形轮对应的挂钩牵引力和牵引效率均最大,轮辙呈交错“双月牙形”,具有良好沙地通过性。因此,人形轮在轮上载荷低于30N且滑转率低于35%条件下的沙地牵引通过性能最优越,一形轮在轮上载荷高于30N且滑转率高于35%条件下通过性最好。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S220;Q811

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本文编号：1715269