基于鸵鸟足部生物组装特征的越沙机械腿足部仿生研究

论文摘要

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/Cable模块建立钢丝绳柔性体模型,完成仿生机械腿中仿肌腱驱动的足部运动学仿真参数设置,通过仿真结果验证了钢丝绳柔性模型的正确性,并分析了足部结构在仿真过程中的变化情况。基于ADAMS仿真分析验证了仿生机械腿足部结构所能实现的越沙动作,为仿生机械腿的加工制造提供参考。在仿真结果分析基础上,完成了仿生机械腿的优化设计制造。选择满足要求的直线式伺服电缸,搭建了直线式伺服电缸控制系统,测试标定了直线式伺服电缸的速度和位移参数。完成T型板的优化和仿生机械腿的组装、调试。通过T型板将仿生机械腿安装在仿生机械腿测试平台上,对仿生机械腿进行相关性能测试试验。利用影像分析系统Simi Motion,采集仿生机械腿以低、中、高三种速度在硬地面和沙地面的运动视频。通过数据处理分析可知,当仿生机械腿以中、低速运动时,在沙地面的运行速度高于硬地面的运行速度,以高速运动时情况刚好相反。通过分析踝关节、跖趾关节角度变化,膝关节、踝关节、跖趾关节Z轴位移变化,以及各节趾骨沿Z轴方向位移和速度变化可知,仿生机械腿在沙地面具有较好的适应性。通过对足底压力分析可知,当仿生机械腿在硬地面运动时,主要趾第二节趾骨不接触地面,趾甲和辅助趾第二节趾骨所受的足底压力约为在沙地面运动时的2倍。当仿生机械腿在沙地面运动时,随着速度增加,足部在沙地面的沉陷深度随之变浅。根据试验测试结果可知,仿生机械腿在沙地面运动中能够实现主要趾中各节趾骨同时触地、依次离地及趾甲蹬地的功能,辅助趾起到辅助支撑的作用。与硬地面相比,仿生机械腿在沙地面有较好的通过性。本研究为解决足式机器人和深空探测器在松软地面的正常行走,提供了新的研究思路和方法。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 仿生足式机器人研究现状
•     1.2.1 双足仿人机器人
•     1.2.2 多足仿生机器人
•     1.2.3 仿鸵鸟机器人
•   1.3 仿生机械腿/足结构研究现状
•   1.4 鸵鸟后肢肌腱功能及足部越沙机理研究
•   1.5 本文研究内容及方法概述
•     1.5.1 课题来源
•     1.5.2 主要研究内容及研究方法
•     1.5.3 技术路线
•   1.6 本章小结
• 第2章 鸵鸟足部结构解剖和模型重构
•   2.1 鸵鸟足部结构分析
•   2.2 鸵鸟足部解剖试验
•   2.3 鸵鸟足部三维模型重构
•     2.3.1 足部骨骼及屈肌腱3D激光扫描
•     2.3.2 足部骨骼及屈肌腱扫描模型优化
•   2.4 本章小结
• 第3章 仿生机械腿结构优化设计与仿真分析
•   3.1 仿生机械腿结构设计
•     3.1.1 仿生机械腿足部结构设计与工作原理
•     3.1.2 仿生机械腿足部与生物原型对比
•     3.1.3 仿生机械腿足部与原设计对比
•   3.2 柔性被动控制机构模型建立
•     3.2.1 ADAMS软件简介
•     3.2.2 钢丝绳模型建模方法简述
•     3.2.3 钢丝绳柔性体模型建立
•   3.3 仿生机械腿足部结构运动学仿真分析
•     3.3.1 ADAMS仿真参数设置
•     3.3.2 仿真结果分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 仿生机械腿研制
•   4.1 足部驱动器选择与标定
•     4.1.1 伺服电机和电缸选型
•     4.1.2 直线式伺服电缸控制系统设计
•     4.1.3 直线式伺服电缸参数标定
•   4.2 仿生机械腿优化组装
•     4.2.1 仿生机械腿零部件优化
•     4.2.2 仿生机械腿弹性元件加工
•   4.3 仿生机械腿及连接件加工与组装
•     4.3.1 T型板加工组装
•     4.3.2 仿生机械腿加工组装
•   4.4 本章小结
• 第5章 仿生机械腿越沙性能试验与分析
•   5.1 仿生机械腿运动学分析
•     5.1.1 标记点和摄像机位置选择
•     5.1.2 仿生机械腿运动参数采集
•     5.1.3 仿生机械腿运动参数分析
•   5.2 仿生机械腿足底压力测试与分析
•     5.2.1 薄膜压力传感器标定
•     5.2.2 足底压力结果分析
•   5.3 仿生机械腿运动足迹分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 研究结论
•   6.2 研究展望
• 参考文献
• 导师及作者简介
• 研究生期间所获成果及奖励
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 万海金

导师: 张锐

关键词: 鸵鸟足,腱骨协同生物组装,沙地通过性,机械腿足部,仿生设计

来源: 吉林大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 吉林大学

基金: 国家自然科学基金项目“鸵鸟腿足生物组装与协同运动策略及松软地面高效平稳仿生步行机械腿关键技术”(项目号:51675221),吉林省科技发展计划项目“高效节能步行机械腿的腱骨协同刚柔耦合仿生研究”(项目号:20180101077JC),吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目“仿鸵鸟机器人腿足主动适应软硬地面关键技术研究”(项目号:JJKH20190134KJ)

分类号: Q811

总页数: 99

文件大小: 7540K

下载量: 228