本文選題：鴕鳥足趾姿態(tài)　切入點(diǎn)：關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)　出處：《吉林大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：基于鴕鳥足趾在沙土中優(yōu)越的通過性能,研究了鴕鳥足趾關(guān)節(jié)硬地面和沙地面運(yùn)動(dòng)學(xué),自適應(yīng)越沙運(yùn)動(dòng)機(jī)制及鴕鳥足趾多姿態(tài)越沙動(dòng)態(tài)仿真;利用工程仿生技術(shù),設(shè)計(jì)了四種多姿態(tài)輪腳仿生步行輪,并對所設(shè)計(jì)的仿生步行輪的沙地通過性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本文提供了一種全新的越沙步行輪輪腳的研究方法,即通過輪腳姿態(tài)變換使步行輪具有主動(dòng)越沙功能。通過搭建外場試驗(yàn)臺(tái)并利用高速攝像和三維追蹤軟件Simi Motion運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)研究了硬地面上鴕鳥足趾的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)。硬地面上奔跑步態(tài)下的跨步周期和觸地期比行走步態(tài)要短,而步長卻增大,擺動(dòng)期沒有顯著差異。第Ⅲ跖趾關(guān)節(jié)MTP3角度(?)和第Ⅳ跖趾關(guān)節(jié)MTP4角度(?)的變化范圍最大,然而第Ⅳ趾的第1段趾骨表現(xiàn)出了最大的運(yùn)動(dòng)波動(dòng)性。第Ⅲ趾和第Ⅳ趾趾骨間關(guān)節(jié)角度在行走和奔跑步態(tài)下表現(xiàn)出相似的運(yùn)動(dòng)模式,但是,第Ⅲ跖趾關(guān)節(jié)MTP3、第Ⅳ跖趾關(guān)節(jié)MTP4變化和跖趾關(guān)節(jié)的垂直位移在行走和奔跑兩種步態(tài)下卻表現(xiàn)出顯著差異。在本文研究的速度范圍內(nèi),鴕鳥的第Ⅲ跖趾關(guān)節(jié)MTP3和第Ⅳ跖趾關(guān)節(jié)MTP4表現(xiàn)出高度的同步性。這表明第Ⅲ趾和第Ⅳ趾是作為一個(gè)“集成系統(tǒng)”來發(fā)揮作用,其中第Ⅲ趾主要承擔(dān)載荷同時(shí)第Ⅳ趾起到補(bǔ)充支撐負(fù)載的作用以確保永久提升的跖趾關(guān)節(jié)的橫向穩(wěn)定性。沙地面上,鴕鳥在奔跑步態(tài)下的跨步周期和觸地期比行走步態(tài)要短,然而步長卻增大,但擺動(dòng)期沒有顯著差異。沙地面上足趾趾骨間關(guān)節(jié)角度(?(11)?(11)?)在行走和奔跑步態(tài)觸地期內(nèi)的具有相似的變化模式,且步態(tài)對于足趾趾骨間關(guān)節(jié)角度(?(11)?(11)?(11)?(11)?(11)?)的四個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)(角度在剛觸地,觸地中期,離地時(shí)刻,變化范圍的數(shù)值)均沒有產(chǎn)生顯著性差異。沙地面上行走和奔跑兩種步態(tài)下跖趾關(guān)節(jié)的垂直位移z表現(xiàn)出顯著不同的模式。奔跑步態(tài)下跖趾關(guān)節(jié)在觸地中期時(shí)比行走步態(tài)下要離地面更近,離地高度分別約為7.0 cm和11.1cm。運(yùn)動(dòng)步態(tài)對于跖趾關(guān)節(jié)在側(cè)向x和前進(jìn)方向y的位移變化范圍均沒有顯著影響,這表明跖趾關(guān)節(jié)可能有效防止了足趾運(yùn)動(dòng)中的過度移動(dòng),并起到保護(hù)足趾的作用。步態(tài)對于趾甲的前進(jìn)方向位移y的變化范圍出現(xiàn)顯著差異,行走和奔跑步態(tài)下該位移的變化范圍分別約為3.6 cm和5.2 cm,這進(jìn)一步表明趾甲在沙地中運(yùn)動(dòng)時(shí)起到定位錨的作用。利用離散元軟件EDEM對鴕鳥足趾在行走和奔跑步態(tài)下的越沙過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。整個(gè)觸地期中,奔跑步態(tài)時(shí)足下顆粒速度場和顆粒力場均比行走步態(tài)的分布密集。行走步態(tài)下,足趾對表層沙土擾動(dòng)較明顯,但沙土厚度對于奔跑步態(tài)下擾動(dòng)情況沒有顯著影響。在觸地期的0~50%時(shí)刻中,奔跑步態(tài)下顆粒對足趾的平均接觸力大于行走步態(tài),最大接觸力值約為7.5×10-3N。在觸地期的0~40%時(shí)刻內(nèi),奔跑步態(tài)下足趾受到的側(cè)向力和垂直力比行走步態(tài)大,表明25%姿態(tài)和50%姿態(tài)在奔跑運(yùn)動(dòng)中均起到防側(cè)滑下陷的作用。剛觸沙時(shí),行走奔跑兩種步態(tài)下足底受力分布較為均勻。當(dāng)處于觸地中期和離沙階段時(shí),奔跑步態(tài)下足趾趾尖和趾背兩側(cè)受力明顯比行走步態(tài)大且密集,進(jìn)一步說明鴕鳥足趾兩側(cè)的乳突和趾背鱗片起到保護(hù)足趾免被砂礫磨損的作用。基于鴕鳥足趾越沙姿態(tài)分別設(shè)計(jì)并加工了人形輪、一形輪、V形輪、組合輪四種仿生步行輪和普通輪,利用實(shí)驗(yàn)室研制的車輪/土壤土槽測試系統(tǒng)測試并分析了仿生步行輪在沙地上的牽引通過性能。當(dāng)輪上載荷為10N且滑轉(zhuǎn)率在17%~33%范圍內(nèi)變化時(shí),普通輪在沙地上牽引通過性相對最好。當(dāng)輪上載荷為20N和30N且滑轉(zhuǎn)率在17%~23%范圍內(nèi)變化時(shí),人形輪對應(yīng)的掛鉤牽引力和牽引效率均最大,輪轍呈“W”形,通過性相對最好。當(dāng)輪上載荷為50N和70N且滑轉(zhuǎn)率大于35%時(shí),一形輪對應(yīng)的掛鉤牽引力和牽引效率均最大,輪轍呈交錯(cuò)“雙月牙形”,具有良好沙地通過性。因此,人形輪在輪上載荷低于30N且滑轉(zhuǎn)率低于35%條件下的沙地牽引通過性能最優(yōu)越,一形輪在輪上載荷高于30N且滑轉(zhuǎn)率高于35%條件下通過性最好。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S220;Q811

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張銳;韓佃雷;吉巧麗;何遠(yuǎn);李建橋;;離散元模擬中沙土參數(shù)標(biāo)定方法研究[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2017年03期

2 張銳;吉巧麗;張四華;李建橋;;越沙步行輪仿生設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)性能仿真[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2016年15期

3 張銳;吉巧麗;楊明明;李建橋;;火星巡視器鼓形車輪仿生設(shè)計(jì)與性能分析[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2016年08期

4 石林榕;吳建民;趙武云;孫偉;張鋒偉;孫步功;;基于離散單元法農(nóng)田土壤單軸壓縮模型的建立及參數(shù)校核[J];中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2015年04期

5 黃晗;李建橋;吳寶廣;張廣權(quán);薛龍;王穎;;輕載荷條件下輕型車輛車輪牽引通過性模型的建立與驗(yàn)證[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年12期

6 王國彪;陳殿生;陳科位;張自強(qiáng);;仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2015年13期

7 張銳;羅剛;薛書亮;楊明明;劉芳;張四華;潘潤鐸;李建橋;;沙地剛性輪構(gòu)型仿生設(shè)計(jì)及牽引性能數(shù)值分析[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年03期

8 張銳;楊明明;潘潤鐸;劉海寶;曾桂銀;李建橋;;鴕鳥足底非規(guī)則曲面形貌數(shù)學(xué)模型構(gòu)建[J];農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào);2015年S1期

9 李建橋;黃晗;王穎;田麗梅;任露泉;;松軟地面機(jī)器系統(tǒng)研究進(jìn)展[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2015年05期

10 孟杰;孟文俊;;影響EDEM仿真結(jié)果的因素分析[J];機(jī)械工程與自動(dòng)化;2014年06期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 鄒猛;月面探測車輛驅(qū)動(dòng)輪牽引性能研究[D];吉林大學(xué);2008年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前8條

1 羅剛;基于鴕鳥跖趾關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特性的減振自適應(yīng)步行足仿生研究[D];吉林大學(xué);2016年

2 劉劍濤;深空巡視探測器彈性車輪設(shè)計(jì)與性能分析[D];吉林大學(xué);2016年

3 楊明明;基于鴕鳥足底形態(tài)特征的火星巡視器車輪仿生研究[D];吉林大學(xué);2015年

4 劉海寶;基于鴕鳥足牽引緩沖特性的短跑鞋關(guān)鍵部位仿生研究[D];吉林大學(xué);2014年

5 曾桂銀;鴕鳥足運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)有限元建模及其生物力學(xué)功能分析[D];吉林大學(xué);2014年

6 劉芳;非規(guī)則結(jié)構(gòu)車輪/散體模擬月壤相互作用動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)研究[D];吉林大學(xué);2013年

7 張四華;沙地環(huán)境車輛仿鴕足步行機(jī)構(gòu)的研究[D];吉林大學(xué);2013年

8 陳澤宇;適用于月球車的可伸縮葉片復(fù)式步行輪的研究[D];吉林大學(xué);2007年

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本文編號(hào)：1715269