山羊足防滑缓冲特性研究与仿生足设计

论文摘要

山羊足防滑缓冲特性研究与仿生足设计四足机器人的运动理论日臻完善,国内外研究成果丰硕,四足机器人已经基本能在结构化路面实现如平地跑跳、斜坡行走和攀爬楼梯等运动。然而,四足机器人在复杂路面的行走稳定性与四足动物还有很大差距。本文从影响其稳定行走的关键部位,四足机器人足部的设计需求出发,以山羊足为仿生原型,观察其运动特点和结构形态,研究其防滑和缓冲机理,并进行仿生足设计,为具有防滑缓冲特性的四足机器人足端设计提供理论和技术支持。利用高速摄像系统对山羊足运动进行观察,将其一个完整的运动周期细分为2个时期和4个阶段,并详细描述山羊足不同阶段的状态。利用比利时高频压力平板测试系统Footscan,研究山羊足底压力分布特征。结果表明,山羊在常速行走时,其前足和后足受到地面最大垂直地反力分别约占体重的67.5%和37.5%;在一个运动周期内,后肢的落脚点几乎是对应前肢的原支撑点,整个运动的重复性高;山羊前足的足底压力峰值由其体重的57.5%(慢速行走)增加至约占山羊体重的92.5%(对角小跑),同时山羊蹄球压力占足底压力由52%提升至78%。对山羊足进行外观形态描述,分析不同结构在运动过程中的作用。山羊蹄张开能牢牢夹住岩石,闭合能像钉子一样卡在石缝,既能防滑又利于寻找落脚点。足底斜向内凹,起到固土作用,限制下方的土壤流动。对山羊足重要几何尺寸进行测量,并对足部进行大体解剖试验,表明山羊足外观形态和内部结构符合一般偶蹄动物模式。使用扫描电子显微镜对蹄匣特征部位进行观察,发现蹄匣壁横截面分布大量细孔,从外向内沿壁厚方向孔径增加,长短轴的比率逐渐减小,细孔逐渐由椭圆向圆形过渡;蹄球纵切面主要分为两层,上层包含许多倾斜的细孔结构,以蜂窝状的方式排列,孔径自上而下逐渐减小最终消失,下层是致密的实体,未发现任何特殊结构;蹄球组织结构由内向外分为皮下组织、真皮层和表皮层。蹄球皮下组织由脂肪小叶和疏松结缔组织构成,其中分布大量的脂肪细胞;蹄球真皮层由内向外分为网状层和乳头层;蹄球表皮层由内向外分为基底层、棘细胞层、颗粒层、透明层和角质层。运用逆向工程技术重构山羊足三维模型,并进行有限元分析,研究足底不规则形态在土壤和岩石地面的防滑性能,结果表明山羊足具有良好的防滑特性。基于蹄球组织微观结构,构建分层三维缓冲模型,并进行模型与地面碰撞的有限元分析,结果表明蹄球组织具有良好的缓冲特性,不同层结构能根据地反力的大小自动调节冲击力的吸收比。以山羊足为仿生原型,根据其运动特点和形态结构设计仿生足,并联合使用SolidWorks和RecurDyn软件,实现了仿生足的三维模型构建与动力学仿真分析。结果表明仿生足在与地面相互作用过程中运行平稳,关节1产生较大转动,关节2、3转动较小;仿生足通过关节的调整能够起到防滑缓冲作用,有效的降低各个零部件的内部应力。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 选题意义与目的
•   1.2 四足机器人国内外研究现状
•     1.2.1 国外四足机器人研究现状
•     1.2.2 国内足式机器人研究现状
•   1.3 四足机器人存在的主要问题分析
•   1.4 四足机器人足端研究现状
•     1.4.1 球形足端
•     1.4.2 圆柱形足端
•     1.4.3 平底形足端
•     1.4.4 仿生足端
•   1.5 本论文研究内容
• 第二章 山羊足-地接触特性研究
•   2.1 引言
•   2.2 山羊概述
•   2.3 山羊身体结构分析
•   2.4 山羊运动特点分析
•     2.4.1 实验方法
•     2.4.2 实验设备
•     2.4.3 试验过程
•     2.4.4 实验结果分析
•   2.5 山羊足底压力测试与分析
•     2.5.1 足底压力分布测试
•     2.5.2 实验方案
•     2.5.3 足底压力分区
•     2.5.4 数据的筛选
•     2.5.5 实验结果与分析
•   2.6 本章小结
• 第三章 山羊足部形态结构观察
•   3.1 引言
•   3.2 山羊足解剖前形态分析
•   3.3 山羊足几何尺寸测量
•   3.4 山羊足纵向解剖观察
•   3.5 山羊蹄匣微观结构观察
•     3.5.1 试验材料准备
•     3.5.2 试验设备
•     3.5.3 试验结果
•   3.6 山羊蹄球组织学观察
•     3.6.1 实验材料
•     3.6.2 实验试剂和实验设备
•     3.6.3 实验方法
•     3.6.4 实验结果
•   3.7 本章小结
• 第四章 山羊足防滑缓冲特性研究
•   4.1 引言
•   4.2 山羊足防滑特性研究
•     4.2.1 地面力学参数选取
•     4.2.2 山羊足部三维重构
•     4.2.3 基于ABAQUS的防滑特性研究
•   4.3 山羊足缓冲特性研究
•     4.3.1 有限元建模及模拟分析
•     4.3.2 有限元仿真结果及分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 仿生足设计及动力学仿真
•   5.1 引言
•   5.2 仿生足机械结构的设计
•   5.3 仿生关节设计
•     5.3.1 刚度函数化原理
•     5.3.2 仿生缓冲关节结构设计
•   5.4 仿生足动力学仿真
•     5.4.1 虚拟样机建立及模型简化
•     5.4.2 仿真模型的约束及驱动设置
•   5.5 仿真结果分析
•     5.5.1 仿生足与地面作用结果分析
•     5.5.2 关键部位有限元分析
•   5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文研究内容总结
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 导师及作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张琪

导师: 田为军

关键词: 山羊,防滑缓冲,有限元分析,仿生足,动力学仿真

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

分类号: Q811

总页数: 91

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