仿驼步行足的研究

生活在沙漠地区的骆驼,不仅对沙漠环境具有很强的适应性,而且具有很好的通过沙地能力。本文通过对驼足结构、运动方式及对沙地作用等的分析,根据仿生原理,提出了仿驼步行的设计原理与方法,研制了仿驼足机构,并对其进行了试验。结果表明,此足性能良好,为开发步行车辆提供了依据。     

骆驼坡道运动特性试验分析

利用高速摄影系统和图像处理仪测试和分析了骆驼的的坡道运动特性。研究了骆驼坡道行走的运动步法、足印分布,以及骆驼运动参数随速度、坡度的变化规律。分析了骆驼坡道行走时腿、驼颈、驼体运动特性对提高坡道行驶能力的作用。所得结果对于促进步行车辆发展,尤其是步行车辆坡道行驶能力的提高具有现实意义。     

骆驼越沙机理初步分析

本文分析了驼体和驼足对沙地的适应性,借助微细动作分析仪,进行了骆驼沙地运动动作剖析及驼足与沙相互作用研究,初步揭示了骆驼高越沙功能的机理。     

骆驼行走步态的实验与分析

为合理设计沙漠地区步行车辆行走机构及合理确定整车参数,采用高速摄影记录方法,对骆驼行走时的步法、形态及特点进行了一系列试验,经数据处理、绘制曲线、建立数学模型,研究了骆驼腿关节行走运动过程和步态规律。所获成果为步行运输车辆设计提供了理论依据。     

基于双6-UPU并联机构的步行机器人步行越障步态仿真与试验

为拓展六足机器人的应用,提高六足机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文提出了一种基于并联腿的六足步行机器人结构。该步行机器人由2个6-UPU并联机构腿和6个足构成,每个足上各安装1个辅助腿,共有18个自由度,辅助腿可根据环境改变步行机器人身体的高度,增强了克服障碍物与环境的适应能力。首先,对该机构进行运动学分析,通过腿部6-UPU并联机构的运动学逆解求解,得到机器人运动过程中并联腿各分支的状态;其次,通过对人体行走规律的研究,根据运动学逆解的结果,设计了步行机器人的2种步态,分别为跨步行走步态和越障步态;之后,根据样机材质,在ADMAS环境下对六足机器人的模型组件增加质量,进行2种步态的行走仿真,跨步行走步态一个步态周期耗时23.734 2 s,步行机器人机体前进400 mm,平均行走速度为1 011.2 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时18 s,步行机器人机体前进100 mm,平均行走速度为333.3 mm/min;最后,选用两片STM32芯片为核心处理器进行控制系统设计,两片STM32芯片分别进行数据采集与PID运算,二者间采用串口通信实现数据传输,跨步行走步态一个步态周期耗时24.85 s,步行机器人机体前进385 mm,平均行走速度为929.6 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时20.8 s,步行机器人机体前进90 mm,平均行走速度为259.6 mm/min。试验表明：跨步行走步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为5%、8%,而在越障步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为13%、22%,绘制了2个平行腿移动平台中心点的规划轨迹和试验轨迹,试验轨迹在步行阶段,试验结果滞后于2种步态的模拟结果。其偏差可归结为试验样机中各电动缸自身特性、装配精度、部件的质量差异等因素的影响,但样机能够按照设定的步态完整设定的行走任务,从而验证了仿真分析的正确性。该研究为进一步研究六足并联腿步行机器人实现未知倾斜面或环境中的稳定行走提供了初步的实践依据。     

基于双6-UPU并联机构的步行机器人步行越障步态仿真与试验（英文）

为拓展六足机器人的应用,提高六足机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文提出了一种基于并联腿的六足步行机器人结构。该步行机器人由2个6-UPU并联机构腿和6个足构成,每个足上各安装1个辅助腿,共有18个自由度,辅助腿可根据环境改变步行机器人身体的高度,增强了克服障碍物与环境的适应能力。首先,对该机构进行运动学分析,通过腿部6-UPU并联机构的运动学逆解求解,得到机器人运动过程中并联腿各分支的状态;其次,通过对人体行走规律的研究,根据运动学逆解的结果,设计了步行机器人的2种步态,分别为跨步行走步态和越障步态;之后,根据样机材质,在ADMAS环境下对六足机器人的模型组件增加质量,进行2种步态的行走仿真,跨步行走步态一个步态周期耗时23.734 2 s,步行机器人机体前进400 mm,平均行走速度为1 011.2 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时18 s,步行机器人机体前进100 mm,平均行走速度为333.3 mm/min;最后,选用两片STM32芯片为核心处理器进行控制系统设计,两片STM32芯片分别进行数据采集与PID运算,二者间采用串口通信实现数据传输,跨步行走步态一个步态周期耗时24.85 s,步行机器人机体前进385 mm,平均行走速度为929.6 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时20.8 s,步行机器人机体前进90 mm,平均行走速度为259.6 mm/min。试验表明:跨步行走步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为5%、8%,而在越障步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为13%、22%,绘制了2个平行腿移动平台中心点的规划轨迹和试验轨迹,试验轨迹在步行阶段,试验结果滞后于2种步态的模拟结果。其偏差可归结为试验样机中各电动缸自身特性、装配精度、部件的质量差异等因素的影响,但样机能够按照设定的步态完整设定的行走任务,从而验证了仿真分析的正确性。该研究为进一步研究六足并联腿步行机器人实现未知倾斜面或环境中的稳定行走提供了初步的实践依据。     

仿螃蟹步行机构及其通过性试验

仿生步行机构的研究对于复杂地形的行走机构开发具有十分重要的意义。为了设计出性能优越、结构简单的仿生步行机构,通过分析中华绒螯蟹的行走步态,提出了仿螃蟹步行机构的设计方案。由于螃蟹尾端的两只步足较少参与行走,为简化设计,将步行机构设计成6足式,腿部运动由六连杆机构实现。利用三维建模软件CATIA建立了步行机构整体模型,并在ADAMS中完成了运动学分析,得到步行机构足端运动轨迹,结果表明该步行机构能够完成预期的动作。根据设计加工出样机,在非常规地面上与轮式模型车进行通过性对比试验,结果表明仿螃蟹步行机构在农业生产所涉及的松软地面上具有较高的通过性能,在崎岖硬地面上波动比轮式模型车降低5%~75%。该步行机构还可作为试验平台,通过对其腿部杆件尺寸和足端触地方式的优化,为开展提高步行机构在不同地面通过性提供基础研究设备条件。     

立体坡面农业四足移动平台姿态控制策略与试验

针对农业四足移动平台在田间行走时的姿态稳定性、负载平稳性差等问题,提出一种立体坡面姿态控制向量策略,在建立四足移动平台运动学模型基础上,通过对一维俯仰、二维横滚坡面姿态姿态向量变化分析,得出立体坡面机身运动姿态角与各腿关节转角的变换方程,而后运用欧拉动力学方程、SLIP理论及次优支撑三角形内稳定裕度理论对四足移动平台平面Trot与坡面Walk步态进行规划。根据Matlab/Sim Mechanics的坡面姿态仿真试验,对所提出的控制策略进行研究,选择俯仰、横滚姿态变化的限定最小角度;Matlab-Adams虚拟样机仿真试验,验证立体坡面姿态变换方程及其步态规划的可行性,得到四足移动平台在俯仰、横滚均为10°的立体坡面行走时,其俯仰与横滚角变化范围在-2°~2°。通过四足移动平台物理样机进行机身姿态角与关节转角变化关系测试和立体坡面姿态行走试验,试验结果与仿真基本一致,验证立体坡面姿态变换方程及其步态规划的合理性;实现了四足移动平台坡面运动姿态保持水平的目的,提高了立体坡面行走的稳定性;负载平稳性能试验结果表明:该文提出的坡面姿态控制策略,在上、下坡及立体坡面行走时,其负载平稳性与无姿态控制器相比分别提高了15.8%,16.2%和16.0%,增强四足移动平台作为农业移动辅助平台的作业性能,为现代农业移动平台运动姿态控制的设计提供了参考。     

沙地刚性轮构型仿生设计及牵引性能数值分析

为了提高车轮牵引性能,改善车辆在松散沙土介质环境的通过能力,该文以善于沙地奔跑的鸵鸟足部关键部位—足趾甲为仿生原型,通过仿生优化轮刺结构,设计出具有高牵引性能的仿生轮刺式沙地刚性轮,并以一种模拟月壤作为试验松散沙土介质材料,采用离散元软件PFC2D?的内置语言FISH和相关命令,建立了适用于非规则结构刚性轮的轮壤相互作用动态模拟系统,并获得试验验证。通过仿生轮刺式刚性轮与模拟月壤相互作用离散元模拟,并与矩形轮刺式刚性轮模拟结果对照,从轮下模拟月壤颗粒细观运动、接触力场、速度场以及车轮挂钩牵引力角度,验证了仿生轮刺式刚性轮具有优越的牵引性能,在车轮滑转率50%的稳定运行状态下,仿生轮刺式刚性轮的牵引性能可提高5.2%左右。该研究为提高刚性轮在松散沙土介质环境中的牵引性能提供了全新设计和研究手段。     

步行轮轮脚与土壤相互作用动力学

对步行轮轮脚与土壤相互作用的动力学进行了理论分析,运用土力学中的被动土压力理论推导了描述步行驱动力、滚动阻力、支承力和行走效率的数学模型;从而为优化步行轮主要参数和预测步行轮的牵引附着性能提供了理论依据。     

沙漠用仿驼蹄橡胶轮胎的设计与试验研究

研制沙漠轮胎是开发沙漠车辆的关键技术之一。根据仿生学原理,建立仿驼蹄轮胎原理模型并首次研制了仿驼蹄轮胎橡胶模型。进行仿驼蹄橡胶轮胎的参数设计,并在室内沙槽模拟台对仿驼蹄轮胎橡胶模型进行了试验研究。研究结果表明,仿驼蹄轮胎橡胶模型具有较高的沙地通过性。     

提高松散土壤表层承载能力的试验研究

通过测取驱动轮下松散土壤的运动规律,和土壤的压板与三轴仪试验,从其结果分析表明:提高松散土壤表层承载能力的主要措施是限制轮下土壤的剪切流动。根据骆驼足具有增加接地面积和固沙作用,提出研制仿驼足型步行式车辆,为设计开发沙漠运输车辆提供根据。     

鸵鸟足底非规则曲面形貌数学模型构建

鸵鸟足底曲面形貌是影响鸵鸟足优越越沙性能的关键因素之一,研究鸵鸟足底曲面特征将有助于将其这一优越特性应用到越沙车轮上,以改善目前常规越沙车轮在松软地面上通过性低的难题。该文选取健康成年鸵鸟足,经过三维激光扫描仪扫描得到鸵鸟足的点云数据,并导入Geomagic Studio软件中进行封装、表面处理,最后把鸵鸟足第Ⅲ趾底曲面划分为3个典型区域：前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面。利用Catia软件中的Digitized Shape Editor模块,对3个典型曲面的密集点云选取合理的过滤方式过滤,保留典型曲面形貌的特征点,并导出3个典型区域特征点云三维数据。运用Matlab软件中的surface fitting自动拟合功能,拟合前掌缓曲面和中间凹槽面的2个曲面,分别得到2个曲面的拟合方程和决定系数R2;基于足跟凸冠面外形类似于一个典型椭球面,利用SAS软件中非线性回归模块以椭球面模型进行曲面拟合。从拟合结果可以看出,3个曲面的决定系数R2分别为0.95、0.96、0.95,实现了鸵鸟足底曲面由生物模型到数学模型的转化。该研究为将鸵鸟足底曲面形貌进行工程仿生学应用奠定了理论基础,并为利用工程仿生学技术研究松软路面行驶车辆提供研究方向和参考依据。     

改善畜床环境对减小猪肢蹄损伤发病率影响的研究

不良的畜床环境是导致母猪肢蹄损伤发病率高的关键因素。为探明不同畜床环境对猪肢蹄损伤发病率影响的差异，对采用不同畜床饲养的母猪进行了观察和对比试验。发现冷、硬、潮混凝土畜床上的母猪肢蹄损伤发病率高达37.7%，全漏缝地板畜床发病率为30.5%，局部漏缝地板发病率则在25%。简易节能型畜床肢蹄损伤发病率仅为5.18%，使猪肢蹄损伤发病率下降了70%～80%，这一结果证明，通过改变畜床材料和结构来改善畜床环境的新思路、新方法是可行的。     

步行轮机构原理

介绍一种用于软地面车辆的新型行走机构——步行轮的基本原理,所阐述的步行轮机构的运动学和动力学特点及理论分析结果,可为其开发应用和合理设计提供最基础的理论依据。     

新疆策勒县沙漠-绿洲过渡带风沙流结构及输沙粒度特征

[目的]为了分析3个不同下垫面近地表风沙流结构差异及输沙粒度特征,为输沙模型的建立提供理论依据。[方法]对策勒绿洲—沙漠过渡带风速梯度和输沙率进行野外观测,采用拟合函数回归方法分析。[结果]在0—200cm高度范围内,流沙地近地表输沙率或输沙通量与高度服从指数函数或对数函数关系,且拟合程度较高;半固定沙地近地表输沙率或输沙通量随高度服从指数函数关系,拟合程度中上等,稍差于流沙地;固定沙地输沙率随高度变化服从多项式函数关系,拟合程度中等—差。[结论]平均风速较大时,流沙地、半固定沙地地表输沙率或输沙通量随高度变化多服从指数关系,且拟合程度好于平均风速较小的输沙阶段;近地表跃移、蠕移沙粒无论在垂向还是在水平方向上,离地表越高或离绿洲越近其各高度输沙率和沙粒平均粒径都有变小和变细趋势,在水平方向上流沙地输沙沙粒分选性依次好于半固定沙地、固定沙地,分选性多属于中等或中等偏上;所有输沙沙粒的偏度值分布在-0.06~0.05之间,越靠近绿洲输沙沙粒越细;所有跃移、蠕移沙粒峰态值分布在0.92~1.05之间,属于中等峰态。