基于啄木鸟运动机理的仿生啄击机构研究

论文摘要

星球探测是研究地球的起源与演变、行星和太阳系的形成和演化的必要途径,研制一种稳定可靠且具备轻型化、智能化和功能多样化的空间采样技术具有重要意义。大自然中,啄木鸟体积较小,质量也仅60g左右,却能在5cm的加速行程内产生1000倍重力加速度以上的冲击加速度,而且啄木鸟的高频率、高强度、高冲击的啄击采样能力,对树干具有非常大的破坏力,极具仿生研究价值,可为星球自主采样系统和采样技术的研究提供新的思路。啄木鸟身体强大的抗冲击能力,也可指导工程机械中破碎锤的仿生设计,可使机构受力状态更加合理,从而降低材料性能要求,有利于降低成本延长使用寿命。本课题在国防和民用等方面均具有较大的应用价值和深远的研究意义。本文主要针对啄击采样技术和冲击锤的仿生设计的问题进行研究,通过对啄木鸟生物本源的研究,探究其啄击运动的运动机理,并对其建立数学模型、物理模型和工程模型,提出工程应用方案。论文主要工作如下:(1)对啄木鸟生物本源进行探索。对比家鸽等其他禽类,归纳啄木鸟骨骼肌肉系统,依据啄木鸟的啄木行为特性分析啄木鸟骨骼肌肉的特点。进而通过高速摄像机采集啄木鸟啄击运动图像序列,更细致地观察啄木鸟的啄击运动,并对其进行分类归纳。(2)对啄木鸟啄击运动进行定量和定性分析。通过测量发现啄木鸟啄击运动可分为调整阶段和加速阶段,其中加速阶段为近似加速度为127.443m/s2的匀加速直线运动,最大位移为64.110mm,最大速度即喙尖接触树干时的冲击速度可达4.056m/s,进而计算出啄木鸟受冲击加速度约为8112m/s2。设计出了能够产生与啄木鸟啄击运动相同的仿生啄击机构,并对其进行了运动分析。(3)对啄木鸟进行运动学建模和运动仿真。通过连杆模型和体段模型两种方法对啄木鸟进行建模,并提出体段匹配方法测量啄木鸟啄击运动过程中的姿态和形态,并对其进行三维建模和运动仿真,实现啄木鸟啄击运动的三维模拟,测得喙尖啄击速度为3.4m/s,与前人研究一致。(4)对啄木鸟啄击过程进行力学分析和动力学仿真。通过对啄木鸟碰撞时刻力学分析发现啄木鸟的啄击方式和姿态可以实现产生大冲击的同时身体保持稳定且关节所承受的力矩很小,不超过3N。利用Adams对啄木鸟进行动力学仿真,测得啄木鸟啄击树干冲击力约为93N。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 仿生学的研究方法和技术
•   1.3 啄木鸟生物力学研究现状
•   1.4 空间采样技术研究现状
•   1.5 本文主要研究思路
•     1.5.1 研究的技术路线
•     1.5.2 研究主要内容
• 第二章 啄木鸟生理及啄击运动特性
•   2.1 引言
•   2.2 啄木鸟骨骼肌肉系统
•   2.3 啄木鸟啄击运动图像序列采集
•   2.4 啄木鸟的啄击模式
•   2.5 本章小结
• 第三章 啄木鸟啄击运动机理分析
•   3.1 引言
•   3.2 啄木鸟啄击运动参数测量和计算
•   3.3 啄木鸟全身动作分析
•   3.4 啄木鸟啄击机构学研究
•     3.4.1 啄木鸟啄击运动简化模型
•     3.4.2 啄木鸟啄击机构
•     3.4.3 仿生啄击机构的变换
•   3.5 啄木鸟啄击运动受力分析
•   3.6 本章小结
• 第四章 啄木鸟运动学模型及运动测量方法
•   4.1 引言
•   4.2 啄木鸟连杆模型建模及分析
•     4.2.1 建立连杆模型
•     4.2.2 运动学分析
•   4.3 啄木鸟体段模型
•   4.4 啄木鸟体段匹配方法
•   4.5 本章小结
• 第五章 啄木鸟啄击运动动力学仿真
•   5.1 引言
•   5.2 啄木鸟三维建模
•   5.3 啄木鸟运动仿真
•   5.4 啄木鸟啄击动力学仿真
•   5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 作者在攻读硕士学位期间获得的学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵梓淇

导师: 费烨

关键词: 啄木鸟,仿生机构,运动分析,体段模型,动力学仿真

来源: 沈阳建筑大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 沈阳建筑大学

分类号: Q811

DOI: 10.27809/d.cnki.gsjgc.2019.000112

总页数: 74

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