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基于鸵鸟足趾运动学特性的多姿态轮脚仿生步行轮研究

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基于鸵鸟足趾运动学特性的多姿态轮脚仿生步行轮研究

作者：吉巧丽吉林大学

学位级别：硕士

基于鸵鸟足趾在沙土中优越的通过性能,研究了鸵鸟足趾关节硬地面和沙地面运动学,自适应越沙运动机制及鸵鸟足趾多姿态越沙动态仿真;利用工程仿生技术,设计了四种多姿态轮脚仿生步行轮,并对所设计的仿生步行轮的沙地通过性能进行了试验... 详细信息

基于鸵鸟足趾在沙土中优越的通过性能,研究了鸵鸟足趾关节硬地面和沙地面运动学,自适应越沙运动机制及鸵鸟足趾多姿态越沙动态仿真;利用工程仿生技术,设计了四种多姿态轮脚仿生步行轮,并对所设计的仿生步行轮的沙地通过性能进行了试验研究。本文提供了一种全新的越沙步行轮轮脚的研究方法,即通过轮脚姿态变换使步行轮具有主动越沙功能。通过搭建外场试验台并利用高速摄像和三维追踪软件Simi Motion运动分析系统研究了硬地面上鸵鸟足趾的关节运动学。硬地面上奔跑步态下的跨步周期和触地期比行走步态要短,而步长却增大,摆动期没有显著差异。第Ⅲ跖趾关节MTP3角度(?)和第Ⅳ跖趾关节MTP4角度(?)的变化范围最大,然而第Ⅳ趾的第1段趾骨表现出了最大的运动波动性。第Ⅲ趾和第Ⅳ趾趾骨间关节角度在行走和奔跑步态下表现出相似的运动模式,但是,第Ⅲ跖趾关节MTP3、第Ⅳ跖趾关节MTP4变化和跖趾关节的垂直位移在行走和奔跑两种步态下却表现出显著差异。在本文研究的速度范围内,鸵鸟的第Ⅲ跖趾关节MTP3和第Ⅳ跖趾关节MTP4表现出高度的同步性。这表明第Ⅲ趾和第Ⅳ趾是作为一个“集成系统”来发挥作用,其中第Ⅲ趾主要承担载荷同时第Ⅳ趾起到补充支撑负载的作用以确保永久提升的跖趾关节的横向稳定性。沙地面上,鸵鸟在奔跑步态下的跨步周期和触地期比行走步态要短,然而步长却增大,但摆动期没有显著差异。沙地面上足趾趾骨间关节角度(?(11)?(11)?)在行走和奔跑步态触地期内的具有相似的变化模式,且步态对于足趾趾骨间关节角度(?(11)?(11)?(11)?(11)?(11)?)的四个关键指标(角度在刚触地,触地中期,离地时刻,变化范围的数值)均没有产生显著性差异。沙地面上行走和奔跑两种步态下跖趾关节的垂直位移z表现出显著不同的模式。奔跑步态下跖趾关节在触地中期时比行走步态下要离地面更近,离地高度分别约为7.0 cm和11.1cm。运动步态对于跖趾关节在侧向x和前进方向y的位移变化范围均没有显著影响,这表明跖趾关节可能有效防止了足趾运动中的过度移动,并起到保护足趾的作用。步态对于趾甲的前进方向位移y的变化范围出现显著差异,行走和奔跑步态下该位移的变化范围分别约为3.6 cm和5.2 cm,这进一步表明趾甲在沙地中运动时起到定位锚的作用。利用离散元软件EDEM对鸵鸟足趾在行走和奔跑步态下的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。行走步态下,足趾对表层沙土扰动较明显,但沙土厚度对于奔跑步态下扰动情况没有显著影响。在触地期的00%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,最大接触力值约为7.5×10-3N。在触地期的00%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下陷的作用。刚触沙时,行走奔跑两种步态下足底受力分布较为均匀。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。基于鸵鸟足趾越沙姿态分别设计并加工了人形轮、一形轮、V形轮、组合轮四种仿生步行轮和普通轮,利用实验室研制的车轮/土壤土槽测试系统测试并分析了仿生步行轮在沙地上的牵引通过性能。当轮上载荷为10N且滑转率在17%3%范围内变化时,普通轮在沙地上牵引通过性相对最好。当轮上载荷为20N和30N且滑转率在17%3%范围内变化时,人形轮对应的挂钩牵引力和牵引效率均最大,轮辙呈“W”形,通过性相对最好。当轮上载荷为50N和70N且滑转率大于35%时,一形轮对应的挂钩牵引力和牵引效率均最大,轮辙呈交错“双月牙形”,具有良好沙地通过性。因此,人形轮在轮上载荷低于30N且滑转率低于35%条件下的沙地牵引通过性能最优越,一形轮在轮上载荷高于30N且滑转率高于35%条件下通过性最好。

关键词：鸵鸟足趾姿态关节运动学主动越沙步行轮沙地牵引通过性工程仿生学

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基于遗传算法的双足机器人足踝蹬地参数优化

农业机械学报 2020年第S1期51卷 584-591页

作者：吉巧丽钱志辉任雷任露泉吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130022 曼彻斯特大学机械航空航天和土木工程学院曼彻斯特M139PL

为提高双足机器人步态的经济性,研究了足踝蹬地扭矩和蹬地时机对行走速度和能耗的影响。基于Matlab/Simulink建立了双足机器人仿真模型并搭建了控制程序,以行走速度为目标函数,利用遗传算法对不同步长下足踝蹬地扭矩和蹬地时机进行优化... 详细信息

为提高双足机器人步态的经济性,研究了足踝蹬地扭矩和蹬地时机对行走速度和能耗的影响。基于Matlab/Simulink建立了双足机器人仿真模型并搭建了控制程序,以行走速度为目标函数,利用遗传算法对不同步长下足踝蹬地扭矩和蹬地时机进行优化,以两腿间夹角确定步长。利用无量纲速度和无量纲能耗作为评价双足机器人运动性能指标,仿真结果表明,随着步长由40°增加到60°,机器人行走速度和能耗均随之增加。当步长为60°,蹬地扭矩为41 N·m,蹬地时机为整个步态周期的43.82%时,双足机器人行走速度最大为0.48,对应能耗为2.97。以速度能耗比作为评价机器人步态经济性指标,仿真结果表明,双足机器人在步长50°,蹬地扭矩为35 N·m,蹬地时机为步态周期的45.18%时,机器人步态的经济性更高,对应速度和能耗分别为0.43和2.26。机器人足底地反力出现3个波峰,当步长为50°和60°时,随着足踝蹬地阶段的出现,足底地反力出现第3个波峰,峰值分别为245.45 N和281.23 N。本研究可为双足机器人在特定步长下选取合适的蹬地参数提供重要参考依据。

关键词：双足机器人足踝蹬地行走速度能耗遗传算法优化

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火星巡视器鼓形车轮仿生设计与性能分析

农业机械学报 2016年第8期47卷 311-316页

作者：张锐吉巧丽杨明明李建桥吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130022 中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司常州213000

以善于沙地奔跑的鸵鸟的二趾足为仿生原型,利用工程仿生学原理,设计一种高通过性的仿生越沙鼓形轮面车轮。以与火星壤近似的松软沙土为试验材料,利用车轮-土壤土槽测试系统,以轮辙、挂钩牵引力和沉陷量为试验指标,对仿生鼓形轮面车轮和... 详细信息

以善于沙地奔跑的鸵鸟的二趾足为仿生原型,利用工程仿生学原理,设计一种高通过性的仿生越沙鼓形轮面车轮。以与火星壤近似的松软沙土为试验材料,利用车轮-土壤土槽测试系统,以轮辙、挂钩牵引力和沉陷量为试验指标,对仿生鼓形轮面车轮和普通轮面车轮的通过性能进行了对比分析。结果表明,当滑转率超过0.85时,普通鼓形轮面比仿生鼓形轮面轮辙的堆积现象明显,并且出现明显打滑空转现象。在相同试验条件下,当滑转率小于0.42时,普通鼓形轮面车轮的挂钩牵引力稍大于仿生鼓形轮面车轮,当滑转率大于0.42时,仿生鼓形轮面车轮的挂钩牵引力明显大于普通鼓形轮面车轮。仿生鼓形轮面车轮和普通鼓形轮面车轮的最大挂钩牵引力分别为11.6N和2.6 N。滑转率对于普通鼓形轮面车轮的沉陷量影响较小,沉陷量基本保持在约35 mm,而随着滑转率的增大,仿生鼓形轮面车轮沉陷量呈现缓慢增大趋势。

关键词：火星巡视器鼓形车轮鸵鸟足仿生轮面结构牵引通过性

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越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真

农业工程学报 2016年第15期32卷 26-31页

作者：张锐吉巧丽张四华李建桥吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130022 中国电子科技集团第二十八研究所南京210007

为提高车轮在沙土介质环境的通过性能,基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式,设计出一种仿生越沙步行轮。该步行轮通过轮脚中的定立柱和动滑块相互配合实现对轮下沙土的限流紧固功能,同时自适应带动轮刺机构进入附着牵引工作状态与离沙减扰... 详细信息

为提高车轮在沙土介质环境的通过性能,基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式,设计出一种仿生越沙步行轮。该步行轮通过轮脚中的定立柱和动滑块相互配合实现对轮下沙土的限流紧固功能,同时自适应带动轮刺机构进入附着牵引工作状态与离沙减扰非工作状态。采用多刚体动力学分析软件,预测了仿生越沙步行轮轮腿各部件之间的活动范围和干涉情况。采用离散元软件,分析了轮脚底面/沙土相互作用关系,验证了该仿生越沙步行轮具有良好的固沙限流、牵引附着性的特点。该研究为提高松软地面中步行机构的通过性能提供了参考。

关键词：仿生设计计算机仿真动力学分析离散元模拟

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离散元模拟中沙土参数标定方法研究

农业机械学报 2017年第3期48卷 49-56页

作者：张锐韩佃雷吉巧丽何远李建桥吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130022

农业机械与土壤相互作用仿真时,选用颗粒相互作用参数的准确度将直接影响仿真结果。本文提出一种通过试验与模拟相结合系统地标定沙土颗粒相互作用参数的方法。通过堆积角测试装置、三轴剪切试验仪、图像颗粒分析系统等设备测量计算沙... 详细信息

农业机械与土壤相互作用仿真时,选用颗粒相互作用参数的准确度将直接影响仿真结果。本文提出一种通过试验与模拟相结合系统地标定沙土颗粒相互作用参数的方法。通过堆积角测试装置、三轴剪切试验仪、图像颗粒分析系统等设备测量计算沙土的堆积角、剪切模量、粒径分布和外观形貌等参数,为颗粒或工厂建模提供参考。使用标准球和非标准球对沙土颗粒的碰撞恢复因数、静摩擦因数、滚动摩擦因数进行标定。研究不同质量和不同标定方法(抽板法和漏斗法)是否对堆积角产生影响。模拟结果表明,选用标准球标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.8,滚动摩擦因数是0.2,抽板法得到的堆积角是33.99°,相对误差是4.74%;漏斗法得到的堆积角是33.59°,相对误差是3.51%。同时,选用非标准球进行标定时,碰撞恢复因数是0.15,静摩擦因数是0.2,滚动摩擦因数是0.3,抽板法得到的堆积角是32.06°,相对误差是1.20%。由此看出,颗粒外观形貌对颗粒间静摩擦因数影响相对较大。

关键词：沙土参数标定离散元数值模拟

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轮面曲率半径对沙地刚性轮沉陷性能影响研究

农业机械学报 2016年第11期47卷 341-349页

作者：张锐吉巧丽张四华刘芳李建桥吉林大学工程仿生教育部重点实验室长春130022 中国电子科技集团第二十八研究所南京210007 青岛征和工业有限公司青岛266705

轮面曲率半径对沙地刚性轮的沉陷性能影响至关重要。通过轮面承压试验、轮壤台架动态试验和离散元数值模拟分别对6种不同轮面曲率半径的平面、凹面和凸面沙地刚性轮在3种不同颗粒形状及粒径大小沙土上的沉陷性能进行分析。在轮面承压试... 详细信息

轮面曲率半径对沙地刚性轮的沉陷性能影响至关重要。通过轮面承压试验、轮壤台架动态试验和离散元数值模拟分别对6种不同轮面曲率半径的平面、凹面和凸面沙地刚性轮在3种不同颗粒形状及粒径大小沙土上的沉陷性能进行分析。在轮面承压试验中,相比其他轮面曲率半径的车轮,平面轮在细径石英砂和粉尘状火山灰上的抗沉陷性能均最好。与其他沙土介质相比,粗径石英砂上所有轮面车轮的沉陷量最小。轮面承压模拟结果表明,平面轮下沙土颗粒的力场分布均匀,轮下颗粒溢出量小,有效说明平面轮沉陷量最小的原理。在细径石英砂轮壤台架动态试验中,凹面R80车轮在行驶初期(位移小于50 cm)沉陷量最小,行驶到稳定状态后(位移大于70 cm),凹面R60车轮的动态沉陷量最小;在粉尘状火山灰轮壤台架动态试验中,凹面R60车轮在整个运动范围内的沉陷量最小。因此,在细径石英砂和粉尘状火山灰上行驶过程中,轮面曲率半径较大的凹面轮的抗沉陷性能较好。此外,由车轮行驶在细径石英砂离散元模拟可知,凹面轮的受力区域集中在轮面两侧,轮面内凹结构可有效防止沙土侧向流动并减小对沙土的扰动。本文研究不仅为承压和行驶条件下不同曲率半径轮面的车轮在沙土介质上的沉陷性能判断提供参考依据,而且为沙漠或者深空探测车辆轮/胎的轮面结构设计提供重要理论依据。

关键词：轮面曲率半径沙地刚性轮沉陷性能承压与台架试验数值模拟

基于ZIF-L的抗菌和自清洁棉织物的制备及性能

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现代纺织技术 2024年

作者：蓝丽莹仇巧华浙江理工大学纺织科学与工程学院

以2-甲基咪唑（2-MI）和氯化锌(ZnCl2)为原料，制备金属有机框架（MOF）中的二维叶状纳米片结构ZIF-L，并通过原位生长将其负载到棉织物表面（ZIF-L@棉）。接着利用气相沉积技术，采用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）对ZIF-L@棉织物进行表面... 详细信息

以2-甲基咪唑（2-MI）和氯化锌(ZnCl2)为原料，制备金属有机框架（MOF）中的二维叶状纳米片结构ZIF-L，并通过原位生长将其负载到棉织物表面（ZIF-L@棉）。接着利用气相沉积技术，采用甲基三甲氧基硅烷（MTMS）对ZIF-L@棉织物进行表面改性，赋予其自清洁功能。通过扫描电子显微镜、傅里叶变化红外光谱仪和X射线光电子能谱分析仪等对织物的表面形貌和结构进行表征，再通过测量接触角分析织物的亲疏水性，通过抑菌圈和抗菌率实验分析织物的抗菌性能。此外，对MTMS/ZIF-L@棉织物进行多次水洗测试，分析探究织物性能的稳定性。结果表明：随着2-MI含量和反应时间的增加，ZIF-L的尺寸和覆盖密度随之增加。当2-MI与ZnCl2的摩尔比为7∶1，反应时间为3 h，获得了具有较好形貌的ZIF-L@棉织物。ZIF-L@棉织物和MTMS/ZIF-L@棉织物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抗菌效果。ZIF-L@棉织物保持了良好的亲水性，而MTMS/ZIF-L@棉织物则表现出较好的疏水性和自清洁性，且具有良好的功能稳定性，在抗菌纺织品领域显示出了广阔的应用前景。

关键词：二维Zn基金属有机框架(ZIF-L) 原位生长棉织物抗菌甲基三甲氧基硅烷(MTMS) 自清洁

尿液中2种全氟化合物测定的液相色谱串联质谱法

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中华劳动卫生职业病杂志 2024年第3期42卷 202-205页

作者：陈晓红邱巧丽宁波市疾病预防控制中心理化检验所浙江省微量有毒化学物健康风险评估技术研究重点实验室宁波315010

目的建立液相色谱串联质谱法快速测定尿液中全氟辛烷磺酸和全氟辛酸含量的方法。方法于2022年11月, 将尿液样品经酸性甲醇提取, WAX固相萃取柱净化, 甲醇水洗脱后, 采用Waters ACQUITY UPLC BEH C18柱(100 mm×2.1 mm, 1.7 μm), 以1.0 ... 详细信息

目的建立液相色谱串联质谱法快速测定尿液中全氟辛烷磺酸和全氟辛酸含量的方法。方法于2022年11月, 将尿液样品经酸性甲醇提取, WAX固相萃取柱净化, 甲醇水洗脱后, 采用Waters ACQUITY UPLC BEH C18柱(100 mm×2.1 mm, 1.7 μm), 以1.0 mmol/L乙酸铵溶液和甲醇为流动相, 进行梯度洗脱;以电喷雾负离子多反应监测模式进行检测, 内标法定量。结果全氟辛酸和全氟辛烷磺酸在0.5~50.0 μg/L浓度范围内均具有良好的线性关系, 相关系数均>0.999, 方法的检出限为0.017 μg/L, 定量限为0.005 μg/L, 平均加标回收率分别为96.3%和101.8%, 日内精密度分别为3.5%~6.2%和3.1%~7.4%, 日间精密度分别为4.3%~6.8%和4.7%~8.1%。结论液相色谱串联质谱方法灵敏度高、准确度好, 可用于人体尿液中全氟辛烷磺酸和全氟辛酸的测定。

关键词：氟化合物色谱法液相串联质谱法固相萃取全氟辛烷磺酸全氟辛酸尿液

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运动鞋仿生缓震中底创新设计及性能分析

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