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文档简介

仿鸵鸟后肢节能减振机械腿研究腿足式机器人对非常规地面具有更好的通过性与适应性,可代替人类进行危险性工作,如行星表面探测、防灾救灾和敌情侦查等。机械腿对机器人运动起到非常重要的作用,因此,腿部机构设计具有重要意义。通过传统设计方法很难进一步提升机械腿的节能减振特性,因此,本文将打破传统设计思维,从自然界获取灵感,采用工程仿生技术,有效改善和提升机械腿的节能减振性能。非洲鸵鸟(以下简称鸵鸟)是世界上现存奔跑速度最快的两足动物。鸵鸟后肢强壮而有力,具有稳健、持久和高速奔跑的能力。基于工程仿生学原理,以鸵鸟后肢为生物原型,将鸵鸟后肢的优越性能应用到腿式机器人腿部机构的设计中。通过鸵鸟外场试验和运动分析系统SimiMotion获得鸵鸟后肢的运动规律。在运动过程中,鸵鸟的跖趾关节永久提升,且第Ⅲ趾从趾甲到趾骨依次离地。另外,在整个触地过程中,鸵鸟足趾会产生抓地力和蹬地力。通过被动回弹试验研究鸵鸟跗骨间关节的被动回弹特性。试验结果表明,跗骨间关节最大关节角为168°,且当跗骨间关节角小于105°时,跗跖骨自动回弹使跗骨间关节角变小的被动回弹特性不明显。通过大体解剖试验,并结合相关文献研究鸵鸟的生物机理。鸵鸟腿部的肌腱与骨骼具有刚柔耦合特性,鸵鸟足趾在触地过程中,肌腱-骨胳相互作用机制能够将地面产生的巨大反作用力转化为肌腱的拉力和骨骼的压力,能够将应对地面冲击消耗的能量转化为弹性势能储存起来,并在触地后期释放这些能量,提高运动效率。另外,结合相关资料发现,当鸵鸟高速奔跑时,鸵鸟肌腱-肌肉相互作用关系表现为通过肌腱的功率衰减作用能够有效保护肌肉免受损伤。基于鸵鸟运动生物机理与运动规律,采用相似原理和工程仿生技术,设计了三种仿生机械腿,并利用Adams分别对三种仿生机械腿进行了动力学仿真对比分析。通过对比分析,仿生机械腿Ⅲ节能、减振、速度等综合性能最好,因此以仿生机械腿Ⅲ作为机械腿的最优设计方案。仿生机械腿Ⅲ的运行速度约为5.843m/s,机身质心竖直方向加速度有效值约为10.5m/s2,单个运动周期内的能耗约为1552.23KJ,其CoT(thecostoftransport)约为8855.2。为了进一步研究仿生机械腿Ⅲ的性能,将其作为双足仿鸵鸟机器人的腿部构件进行了运动仿真分析。仿真结果分析表明,仿鸵鸟机器人机身质心竖直方向加速度有效值约为10.0m/s2,单个运动周期内的能耗约为114.83KJ,其运动能效CoT约1610.9。研制了机械腿运动学和力学测试平台。通过仿生机械腿台架试验,并结合动作分析系统SimiMotion、测振仪和薄膜压力传感器进行仿生机械腿的运动性能研究。实验结果证明,仿生机械腿Ⅲ实现了肌腱-骨骼相互作用机制、肌腱-肌肉相互作用机制、跖趾关节永久提升、以及三节趾骨依次离地

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