山羊足防滑緩沖特性研究與仿生足設(shè)計四足機器人的運動理論日臻完善,國內(nèi)外研究成果豐碩,四足機器人已經(jīng)基本能在結(jié)構(gòu)化路面實現(xiàn)如平地跑跳、斜坡行走和攀爬樓梯等運動。然而,四足機器人在復(fù)雜路面的行走穩(wěn)定性與四足動物還有很大差距。本文從影響其穩(wěn)定行走的關(guān)鍵部位,四足機器人足部的設(shè)計需求出發(fā),以山羊足為仿生原型,觀察其運動特點和結(jié)構(gòu)形態(tài),研究其防滑和緩沖機理,并進行仿生足設(shè)計,為具有防滑緩沖特性的四足機器人足端設(shè)計提供理論和技術(shù)支持。利用高速攝像系統(tǒng)對山羊足運動進行觀察,將其一個完整的運動周期細分為2個時期和4個階段,并詳細描述山羊足不同階段的狀態(tài)。利用比利時高頻壓力平板測試系統(tǒng)Footscan,研究山羊足底壓力分布特征。結(jié)果表明,山羊在常速行走時,其前足和后足受到地面最大垂直地反力分別約占體重的67.5%和37.5%;在一個運動周期內(nèi),后肢的落腳點幾乎是對應(yīng)前肢的原支撐點,整個運動的重復(fù)性高;山羊前足的足底壓力峰值由其體重的57.5%(慢速行走)增加至約占山羊體重的92.5%(對角小跑),同時山羊蹄球壓力占足底壓力由52%提升至78%。對山羊足進行外觀形態(tài)描述,分析不同結(jié)構(gòu)在運動過程中的作用。山羊蹄張開能牢牢夾住巖石,閉合能像釘子一樣卡在石縫,既能防滑又利于尋找落腳點。足底斜向內(nèi)凹,起到固土作用,限制下方的土壤流動。對山羊足重要幾何尺寸進行測量,并對足部進行大體解剖試驗,表明山羊足外觀形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)符合一般偶蹄動物模式。使用掃描電子顯微鏡對蹄匣特征部位進行觀察,發(fā)現(xiàn)蹄匣壁橫截面分布大量細孔,從外向內(nèi)沿壁厚方向孔徑增加,長短軸的比率逐漸減小,細孔逐漸由橢圓向圓形過渡;蹄球縱切面主要分為兩層,上層包含許多傾斜的細孔結(jié)構(gòu),以蜂窩狀的方式排列,孔徑自上而下逐漸減小最終消失,下層是致密的實體,未發(fā)現(xiàn)任何特殊結(jié)構(gòu);蹄球組織結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外分為皮下組織、真皮層和表皮層。蹄球皮下組織由脂肪小葉和疏松結(jié)締組織構(gòu)成,其中分布大量的脂肪細胞;蹄球真皮層由內(nèi)向外分為網(wǎng)狀層和乳頭層;蹄球表皮層由內(nèi)向外分為基底層、棘細胞層、顆粒層、透明層和角質(zhì)層。運用逆向工程技術(shù)重構(gòu)山羊足三維模型,并進行有限元分析,研究足底不規(guī)則形態(tài)在土壤和巖石地面的防滑性能,結(jié)果表明山羊足具有良好的防滑特性�；谔闱蚪M織微觀結(jié)構(gòu),構(gòu)建分層三維緩沖模型,并進行模型與地面碰撞的有限元分析,結(jié)果表明蹄球組織具有良好的緩沖特性,不同層結(jié)構(gòu)能根據(jù)地反力的大小自動調(diào)節(jié)沖擊力的吸收比。以山羊足為仿生原型,根據(jù)其運動特點和形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計仿生足,并聯(lián)合使用SolidWorks和RecurDyn軟件,實現(xiàn)了仿生足的三維模型構(gòu)建與動力學(xué)仿真分析。結(jié)果表明仿生足在與地面相互作用過程中運行平穩(wěn),關(guān)節(jié)1產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動,關(guān)節(jié)2、3轉(zhuǎn)動較小;仿生足通過關(guān)節(jié)的調(diào)整能夠起到防滑緩沖作用,有效的降低各個零部件的內(nèi)部應(yīng)力。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q811
【部分圖文】：

Shimoyama 展開了四足機器人腿足動態(tài)運動控制研究，這被視為第一次對四足機器人進行系統(tǒng)性的研究[11]。經(jīng)過幾十年的不斷探索和發(fā)展，四足機器人技術(shù)進入了一個蓬勃發(fā)展時期，尤其進入 2000 年后四足機器人表現(xiàn)出更加出色的性能2005 年，Boston Dynamics 公司研制并發(fā)布了第一代 BigDog 四足機器人，如圖 1.1 所示。BigDog 的機身采用機械方式進行組裝，設(shè)計參考了四足哺乳動物的軀體，四肢關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)可以有效的吸收沖擊。BigDog 由一臺汽油發(fā)動機作為動力源，通過發(fā)動機驅(qū)動液壓系統(tǒng)輸出動力，控制每段肢體的運動，使得整機的 16 個自由度完美配合，可以在橫縱兩個方向自由移動，實現(xiàn)了軀體的靈活運動[12,13,14]。意大利技術(shù)研究院研制的四足機器人 HyQ，采用電液混合驅(qū)動，由電機控制腿部側(cè)擺關(guān)節(jié)運動，由液壓缸負責其他關(guān)節(jié)的驅(qū)動，具有獨立能源系統(tǒng)，如圖 1.2 所示。HyQ 能夠在崎嶇地面上穩(wěn)定前行，具有一定的抗干擾能力，起跳高度可達 0.5m，最高行進速度可達 2m/s[15,16,17]。

Shimoyama 展開了四足機器人腿足動態(tài)運動控制研究，這被視為第一次對四足機器人進行系統(tǒng)性的研究[11]。經(jīng)過幾十年的不斷探索和發(fā)展，四足機器人技術(shù)進入了一個蓬勃發(fā)展時期，尤其進入 2000 年后四足機器人表現(xiàn)出更加出色的性能2005 年，Boston Dynamics 公司研制并發(fā)布了第一代 BigDog 四足機器人，如圖 1.1 所示。BigDog 的機身采用機械方式進行組裝，設(shè)計參考了四足哺乳動物的軀體，四肢關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)可以有效的吸收沖擊。BigDog 由一臺汽油發(fā)動機作為動力源，通過發(fā)動機驅(qū)動液壓系統(tǒng)輸出動力，控制每段肢體的運動，使得整機的 16 個自由度完美配合，可以在橫縱兩個方向自由移動，實現(xiàn)了軀體的靈活運動[12,13,14]。意大利技術(shù)研究院研制的四足機器人 HyQ，采用電液混合驅(qū)動，由電機控制腿部側(cè)擺關(guān)節(jié)運動，由液壓缸負責其他關(guān)節(jié)的驅(qū)動，具有獨立能源系統(tǒng)，如圖 1.2 所示。HyQ 能夠在崎嶇地面上穩(wěn)定前行，具有一定的抗干擾能力，起跳高度可達 0.5m，最高行進速度可達 2m/s[15,16,17]。

第一章緒論2008 年，韓國工業(yè)技術(shù)研究院和 Rotem 公司研制出了全液壓四足機T-2，如圖 1.3 所示。該機器人共有 12 個俯仰自由度和 4 個橫滾自由在平坦地面實現(xiàn)俯臥和平穩(wěn)行走[18]。Boston Dynamics 公司發(fā)布了第Dog，整體性能更加優(yōu)異。如圖 1.4 所示。第二代 BigDog 集成了立體LiDAR 傳感器系統(tǒng)用于 3D 地形重建，可利用該系統(tǒng)查找合適的路徑儀的指引下達到目標位置，在沒有操作員參與的情況下可以追蹤最遠目到 130m，測試成功率約為 23/26[19,20]。

【相似文獻】

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1 張琪;山羊足防滑緩沖特性研究與仿生足設(shè)計[D];吉林大學(xué);2019年

2 喬鈺;仿馴鹿蹄冰面防滑胎面結(jié)構(gòu)研究[D];吉林大學(xué);2018年

本文編號：2807584