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农学硕士论文:基于鸵鸟足趾运动学特性的多姿态轮脚仿生步行轮农学研究

添加时间:2018-01-17 20:20:40   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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第 1 章 绪论

 
1.1 引言
20 世纪 80 年代初,我国著名科学家钱学森提出了“沙产业”概念——在“不毛之地”上利用现代科学技术,包括物理、化学、生物等科学技术的全部成就,通过植物的光合作用,固定转化太阳能,发展知识密集型的农业型产业[1]。随着全球人口的迅速增长与气候变化,地球荒漠化,特别是沙化问题成为亟待解决的生态环境问题。沙漠戈壁区不仅蕴藏含丰富的油、气等不可再生资源,还拥有丰富的太阳能、风能、景观资源以及生物质能等可再生能源[2]。其中,风能、太阳能等既能解决我国能源匮乏的问题,又能有效改善环境质量[3]。因此,随着全球能源危机的加剧和易开采的资源日趋枯竭,中国的能源战略已经瞄向具有松软地面的沙漠戈壁和深空探测,开发沙漠油气资源和深空资源已成为未来发展的必然趋势。研究表明,沙漠沙土颗粒细小且均匀,颗粒尺寸分布在较小的范围内,长期的流动使沙粒棱角被磨损而近似呈球形,易发生流动,故而承载能力较低[4][5]。由于沙地环境中颗粒的物理力学性能复杂,普通车辆在沙土行驶过程中易产生滑转下陷,车轮滚动失去稳定,严重影响通过性,甚至无法通过[6][7]。此外,人类在对火星进行探测时,出现例如美国“勇气”号和“机遇”号火星车因受到火星表面独特松软路面环境影响而严重沉陷的问题,以致探测车无法继续正常工作[9][10][11]。而车辆在松软地面上的通过性能很大程度上取决于与地面直接相互作用的行走机构。因此,深入研究松软地面环境下,车辆行走机构与沙地面的相互作用方式和作用机理,设计新型越沙机构,对于提高松软沙地中车辆的通过性,从而保障沙漠车辆及沙地农业机械工作的可靠性具有重要意义。为提高车轮在松软地面上的行驶通过性,已有研究大多集中在以下两方面:第一,改进车轮性能参数,如几何尺寸、形状和结构等,或设法降低车轮与沙地接触面间的比压、减小车轮滑转下陷,但存在沙漠车轮结构过大的问题[7][8]。第二,设计步行轮行走结构,其优点在于与水田泥地等松软地面相互作用后形成非连续性轮辙,因此滚动阻力减小,牵引性能强等特点[12][13]。但是,依据传统设计理论和方法难以从本质上提高沙地车轮的通过性能。因此,有关沙地面上具有高通过性的结构简单的步行机构还有待进一步开发研究。本课题基于车辆地面系统力学理论,从自然界获取灵感,采用工程仿生技术,不仅有助于突破传统设计瓶颈,而且为松软地面行走机构提供全新理论和设计思路。本文针对松软沙地上新型越沙步行机构结构设计及与沙土相互作用问题进行了研究。
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1.2 松软地面行走机构研究现状
车辆地面力学领域中所研究的机器系统包括农业机械,拖拉机,汽车,工程机械,坦克装甲车及深空巡视探测车等。研究的地面指为车辆提供支承能力和附着能力的岩土及其构成的几何障碍,以及诸如农田(水田和旱田),沼泽、滩涂、沙漠、草原和冰雪地面,甚至月球火星表面等的各种地面。研究内容包括四个部分,第一,车辆在松软土壤情况下的行走性能及对松软土壤性能的分析,特别是对车辆在松软土壤中通过性能的评价,以及由此对于车辆的改进和设计方面的研究;第二,车辆由于不平地面而产生的振动(平顺性)研究;第三,车辆克服障阻(壕沟、树林、岩石)等的能力;第四,车辆的两栖性能,特别是在水陆之间的过渡地上的性能[14]。本文研究的步行轮机构在沙地上通过性问题主要涉及多种姿态的轮脚与松软沙地面间的相互作用。
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第 2 章 鸵鸟足趾运动试验外场搭建与硬地面测试
 
当前一些有关鸵鸟行走和奔跑的运动学研究大多关注跖趾关节以上的腿部和身体部分,而关于鸵鸟足趾关节的精细运动学研究还未见报道。本文首次研究了亚成年鸵鸟在硬地面上行走和奔跑步态下足趾关节运动学。通过大量可靠的试验数据获得了足趾主要关节及跖趾关节垂直位移的运动轨迹,这对于揭示不会飞以及跖趾关节永久提升且仅存两趾的善于奔跑的鸵鸟的优越运动特性具有重要意义。本章将对鸵鸟在行走和奔跑两种步态下触地期内的主要足趾关节的运动学进行探究。利用高速摄像和特殊设计的标记点研究了两种步态下活体鸵鸟足趾主要趾骨间关节运动学,主要包括足趾趾骨间关节运动,第Ⅲ趾和第Ⅳ趾各自的第 1 段趾骨与跗跖骨之间关节的相对运动,第Ⅲ趾和第Ⅳ趾第 1 段趾骨间关节的相对运动。统计分析了鸵鸟在硬地面上行走和奔跑两种运动步态下的步态因素对于四个步态参数(触地期,摆动期,跨步周期和跨步长度)和六个关键指标(趾骨间关节角度和跖趾关节的垂直位移在刚触地,触地中期,离地时刻,最大值,最小值,变化范围时的数值)是否存在显著差异进行统计分析。
 
2.1 试验外场搭建
本文搭建了一个长约 80 m,栅栏高约 1.5 m 的试验场地,中间有长 4 m、宽 1 m 的数据采集区(虚线框内)(如图 2.1 所示)。硬地面测试试验时,跑道上覆盖了 3 mm 厚的橡胶以防止鸵鸟足趾受伤;沙地面测试试验时,跑道上覆盖了厚度 4 cm 的均匀沙土。跑道的两端为鸵鸟留出了用来休息和进食的空间。数据采集区的外侧为长约 76 m,宽约 2 m的“漏斗形”过渡区域,这有助于鸵鸟自然的进入数据采集区。由三个同步数码相机(CasioExilim EX-FH25, Tokyo, Japan; 240 frames s-1)构成的高速摄像系统放置在数据采集区形成了三角形分布。测试时,研究人员利用食物和训练指令,引导鸵鸟在大约长 15 m 的跑道上进行稳定速度的行走和奔跑步态练习。试验人员随机改变鸵鸟行走到快跑的速度,期间给予试验样本充足的休息和食物以防止其受伤。如果试验样本表现出了疲惫,这会导致测量结果的不准确,此类试验数据将被去除。为了尽可能减少阳光对视频数据采集试验的干扰,在试验采集区的正上方铺设了遮阳网,如图 2.2 所示。
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2.2 硬地面测试
 
2.2.1 试验样本选取
从中国吉林省吉安养殖场选用 10 只约 8 个月龄大的亚成年鸵鸟作为试验样本。它们的平均质量和高度分别为 84.5 ± 2.12 kg 和 2.11 ± 0.01 m(以均值 ± 标准差表示)。这些样本没有外伤,身体状况良好且跖趾关节均处于永久提升的状态,代表了鸵鸟在该年龄和性别阶段的身体比例和各种属性[89-92]。这些鸵鸟白天养殖在户外围栏里且不限制食物和水,晚上关在室内笼子里。在采集数据前,每只鸵鸟在栅栏围起的走廊训练行走和奔跑的时间每次不少于 30 分钟,每天两次,持续一个月。经过综合比较样本的代表性和顺从性,两只易于驯服的雌性鸵鸟作为本研究的试验对象并完成所有测试。样本生活和试验条件均由中国吉林大学动物保护和使用委员会(协议号 IACUC:20140706)机构批准。
 
2.2.2 试验参数选取
使用双面胶将九个特殊设计的反光标记点(marker)粘贴在鸵鸟左足足趾的主要解剖关节位置处(如图 2.3A 所示)。利用 CT 扫描技术扫描一只成年雌性鸵鸟(年龄:3 岁;体重:95 kg;身高:2.10 m)的左足,通过 Mimics 10.0 software 处理成像,建立由跗跖骨、第Ⅲ趾和第Ⅳ趾构成的三维几何模型,标记点的位置参考足部三维模型确定[60](如图 2.3B 所示)。第Ⅲ趾上粘贴了四个标记点,分别在趾甲背基处(标记点 A),第 2 段趾骨和第 3 段趾骨间关节处(标记点 B),第 1 段趾骨和第 2 段趾骨间关节处(标记点 C),第 1 段趾骨和跗跖骨关节处(标记点 D)。同时,第Ⅳ趾上粘贴了三个标记点,分别在第Ⅳ趾的第 1 段趾骨和跗跖骨关节处(标记点 F),第 1 段趾骨和第 2 段趾骨间关节处(标记点 G),第Ⅳ趾的末端处(标记点 H)。此外,跗跖骨上接近跖趾关节的前侧处(标记点E)。需要说明的是,由于第Ⅲ趾和第Ⅳ趾末端的趾骨较小且趾骨间的相对运动难以测量和观察,因此把趾甲、第Ⅲ趾的第 3 段趾骨和第 4 段趾骨假定为一个部分(如图 2.3B 中的第Ⅲ趾的第 3 段趾骨),把第Ⅳ趾的第 2、3、4 和 5 段趾骨假定为一个部分(如图 2.3B中的第Ⅳ趾的第 2 段趾骨)[93]。
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第 3 章 鸵鸟足趾自适应越沙运动学研究.....39
3.1 试验参数选择........... 39
3.2 试验结果分析........... 39
3.3 硬地面和沙地面足趾关节运动学对比......46
3.3.1 行走步态下足趾关节运动学............46
3.3.2 奔跑步态足趾关节运动学.......48
3.4 本章小结.......... 50
第 4 章 鸵鸟足趾多姿态触沙动态仿真.........53
4.1 鸵鸟足趾越沙离散元仿真系统..........53
4.1.1 离散单元法及 EDEM 简介..........53
4.1.2 足/沙离散元模拟系统建立......54
4.1.3 越沙步态下足趾运动学参数.............61
4.2 鸵鸟足趾多姿态触沙仿真结果..........63
4.3 本章小结.......... 72
第 5 章 仿鸵鸟足趾姿态的步行轮结构设计与通过性能分析........ 75
5.1 仿生步行轮结构设计........75
5.2 仿生步行轮沙地通过性能试验..........82
5.3 试验结果分析........... 85
5.4 本章小结........ 101
 
第 5 章 仿鸵鸟足趾姿态的步行轮结构设计与通过性能分析
 
通过第 4 章鸵鸟足趾多姿态触沙动态仿真研究了多姿态足趾的越沙机理,为本章的多姿态轮脚仿生步行轮的设计奠定了理论基础。为了研究出沙地面上具有高牵引通过性且结构简单的越沙步行轮,以鸵鸟足趾优越越沙姿态为仿生原型,利用仿生学原理,为设计出具有优越通过性能的越沙步行轮提供了全新思路和可能性。因此,本章所设计的仿鸵鸟足趾姿态的步行轮结构主要包括轮面和轮脚两个主要部分。轮面部分的结构设计主要以拖拉机轮胎花纹和鸵鸟足趾越沙过程为灵感,轮脚则以沙地面上奔跑步态下鸵鸟足趾关节角度决定的越沙姿态为设计依据,设计了单体式和组合式两种轮脚结构,最终加工并组装出 4种多姿态轮脚仿生步行轮和 1 种普通步行轮。为了测试仿生步行轮在沙地面上的通过性能,以挂钩牵引力、牵引效率、驱动扭矩、沉陷量和轮辙形貌为评价指标,利用吉林大学工程仿生教育部重点实验室研制的轮壤土槽测试系统对仿生轮和普通轮在沙地面上的牵引通过性进行测试和探讨。
 
5.1 仿生步行轮结构设计
轮脚作为步行轮行走机构的重要组成部分,直接与松软地面接触,因此轮脚的触地方式及运动性能是否优越是决定整个步行轮通过性能及工作能力的关键因素。传统步行轮轮腿结构复杂且轮腿轮脚结构单一,一个步行轮的所有轮腿结构完全相同且呈圆周排列,在一定程度上起到了在松软地面上增大牵引力的效果,但并没有使步行轮这种特殊的行走机械得以真正普及与应用。因此沙地环境中具有高通过性、结构和控制简单的且利用多种轮腿结构组装实现轮脚主动越沙的步行轮机构还有待进一步开发研究。基于鸵鸟足趾多姿态优越的越沙性能,结合工程仿生学原理,设计出仿生多姿态轮脚结构,进而应用到仿生步行轮结构设计中,目的在于提高步行轮在沙地环境中的牵引通过性。本小节将对仿生步行轮的轮面和多姿态轮脚结构设计进行详细阐述。
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结论
 
本文针对目前沙地刚性轮通过性低、沉陷量大的问题,通过研究沙漠中善于奔跑的鸵鸟足优越越沙性能,分别从硬地面鸵鸟足趾关节运动学、沙地面足趾关节运动学和鸵鸟多姿态足趾越沙仿真三个方面对生物原型进行系统研究。根据鸵鸟越沙姿态设计了仿生多姿态轮脚式步行轮和仿生组合式轮脚步行轮,并利用轮壤台架测试系统对仿生轮脚式步行轮进行沙地通过性能试验。通过研究,得到如下结论:对沙地面上行走和奔跑步态下鸵鸟足趾越沙过程进行动态仿真。整个触地期中,奔跑步态时足下颗粒速度场和颗粒力场均比行走步态的分布密集,颗粒挤压现象明显。这有助于维持鸵鸟高速运动中足趾及身体的平衡性和稳定性。行走步态下颗粒力场呈现由足下到足后跟到足尖的转变过程,而奔跑步态下颗粒力场则呈现由足下直接到足尖的转变。趾尖力场的密集分布体现了沙地运动中足趾的抓地和牵引性能。在触地期的 0~50%时刻中,奔跑步态下颗粒对足趾的平均接触力大于行走步态,最大接触力值约 7.5×10-3N。在离沙阶段,即触地期的 60%~100%时刻内,奔跑步态下足趾受到的平均接触力与行走步态相差较小。奔跑步态下整个触地期内足趾受到的水平力比行走步态大,表明运动速度的增大需要沙地面提供鸵鸟足较大的摩擦推进力。在触地期的 0~40%时刻内,奔跑步态下足趾受到的侧向力和垂直力比行走步态大,表明 25%姿态和 50%姿态在奔跑运动中均起到防侧滑防下陷的作用。在触地期的 40%~100%时刻内,足趾受到的侧向力和垂直力较小接近于零。奔跑步态下土层厚度对于足沙扰动现象没有明显影响。刚触沙时,行走奔跑两种步态下足底受力都较为均匀,但是行走步态下主要受力区域分布在第Ⅲ趾和第Ⅳ趾的后脚掌,而奔跑步态下足底受力均匀分布于两趾趾底面。当处于触地中期和离沙阶段时,奔跑步态下足趾趾尖和趾背两侧受力明显比行走步态大且密集,进一步说明鸵鸟足趾两侧的乳突和趾背鳞片起到保护足趾免被砂砾磨损的作用。
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参考文献(略)
 

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