山羊运动特性分析及仿生减振装置设计

发布时间：2018-04-01 19:42

本文选题：山羊　切入点：仿生学　出处：《吉林大学》2017年博士论文

【摘要】：振动,普遍存在于各种机械的运转过程中。机械,广泛应用于人们的日常生活里。由不同机械零部件构成的无数种或大或小的机械设备,充斥着人们的工作和生活,在为人们带来高效与便利的同时,也带来了或多或少的振动危害。剧烈的冲击振动,会引发人体骨骼、肌肉、关节损伤,导致房屋、桥梁破损;持续的稳态振动,会影响人体内脏功能,引起头痛、耳鸣等不适,缩短建筑物的使用寿命,妨碍精密仪器实现设计精度。随着经济的发展和科技的进步,人们对生活质量和工作环境的要求日益提高。适当减弱振动危害,努力消除振动损伤,对于提升人们的生活舒适度,提高人们的工作质量,具有重要意义。本文由山羊运动观测出发,通过运动特性分析,引发仿山羊减振装置设计灵感。分别以山羊蹄匣和右前肢为仿生原型,进行了仿生减振单元和仿生减振关节设计,并对两者进行了概念性组合设计,得到兼具稳态减振和瞬态减振效果的仿生减振装置。在山羊运动初步观察的基础上,进行了山羊运动观测试验台设计,提供了山羊在不同状态下静止和运动的集中观测方法,并利用Solid Works 2016对其进行了三维建模。具体可观测内容包括:1、静止于平面上的山羊,在平面向倾斜面缓慢变化过程中,四肢及躯干的平衡控制方式;2、山羊于平面、15°坡面和25°坡面上行走的运动方式异同点;3、山羊左转弯、右转弯过程的运动步态;4、静止于平面上的山羊,在受到足下冲击时四肢及躯干的平衡控制方式。其中,足下冲击分为平动冲击和转动冲击两种。根据试验空间和加工成本,对设计的山羊运动观测试验台进行了构造改进、位置调整及部件替换,并搭建了可用于试验的山羊运动观测试验台。设计了一种山羊运动步态周期观测方法,并进行了山羊运动学数据捕捉,得到了山羊0°、4°、8°、12°、16°、20°共六种坡度下的静止状态体态特征;以及山羊以1km/h、2km/h、3km/h、4 km/h、5 km/h共五种速度,分别在0°、10°、20°共三种坡度下运动的步态周期。总结并分析了山羊于轻松状态下0°坡度上的离散运动,轻松状态下10°坡度上的离散运动,轻松状态下10°坡度上的连续运动,疲劳状态下10°坡度上的连续运动,以及轻松状态下20°坡度上的连续运动,共五种运动方式下的步态周期规律。简要总结了山羊于不同坡面上静止时的平衡控制方式。针对山羊在水平路面上进行慢速、常速、快速直线运动,以不同速度进行上、下楼梯运动,在特殊状态下运动的具体过程,进行了视频拍摄、图像处理、步态分析,以及运动规律总结。对山羊蹄匣进行了生物观测,并以山羊蹄匣为仿生原型,进行了仿生减振单元设计。利用浇铸成型方法制备了带孔仿生样件和无孔标准样件。自主设计并搭建了仿生减振单元性能测试系统,以孔倾斜角、压力块质量和激励电压作为试验因素,以固有频率和最大传递比作为试验指标,进行了试验优化设计。采用曲线分析方法、极差分析方法和部分正交多项式回归分析方法,对试验结果进行了计算和分析。对山羊右前肢和右后肢进行了去皮处理,观察了两肢体的受迫运动过程,并选定山羊右前肢腕关节作为仿生原型。对右前肢进行了测量和去肉处理,并借鉴肢体运动方式和过程,利用Solid Works 2016软件,先由简到繁,再由繁到简,进行了仿生关节结构设计,共得到六代仿生减振关节。对每代关节进行了减振机理分析,选取具有代表性的第五代和第六代关节作为主要研究对象,进行了数学建模及仿真分析。利用Solid Works 2016软件,进行了仿生减振台架、仿生减振腿和仿生减振平台的概念性设计。本文提出的用于山羊活动方式观测的试验平台,可实现运动学、动力学和肌电信号的同步采集,为山羊运动步态、应激反应、平衡控制方式的集中研究提供了保障;以山羊蹄匣为仿生原型,设计出仿生减振单元,引发了仿生学在稳态减振应用方面的新思考;以山羊右前肢为仿生原型,设计出仿生减振关节,实现了减振关节刚度的函数化可控。
[Abstract]:A bionic vibration damping device is made up of goat ' s hoof box and right front limb , which can affect human body ' s internal organs function , cause headache , tinnitus and other discomfort , shorten the service life of building and prevent the precision instrument from being damaged . In this paper , the gait cycle of goat ' s gait cycle is analyzed by using curve analysis method , extreme difference analysis method and partial orthogonal polynomial regression analysis method . The results are as follows : 1 km / h , 2 km / h , 3 km / h , 4 km / h and 5 km / h are used as the experimental factors . The bionic joint structure design is carried out by using Solid Works 2016 software , and the bionic joint structure design is carried out . The concept design of bionic vibration damping bench , bionic vibration damping leg and bionic vibration damping platform is carried out by using solid Works 2016 software .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB535.1;TB17

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