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仿绿头鸭足趾-蹼协同运动的刚柔耦合变面积足抗沉陷机理研究

批准号:
52105304
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
韩佃雷
依托单位:
学科分类:
机械仿生学与生物制造
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
韩佃雷

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
滩涂地面机械化作业的关键是解决移动机构的牵引通过性问题。绿头鸭足作为与地面直接接触的执行器,其结构形貌、材料组装、运动姿态等协同作用在抗沉陷运动中发挥了重要作用,为腿足式移动机构设计提供了理想的仿生原型。本项目拟从趾-蹼结构形貌、生物材料耦合组装、趾-蹼/双足协同运动策略等方面,研究绿头鸭足结构/行为与滩涂地面适应性接触的运动学和动力学问题,揭示绿头鸭足抗沉陷机理。基于工程仿生原理与技术,解决仿生足的趾-蹼结构形貌、刚柔材料耦合组装、趾-蹼联接与开闭驱动等关键问题;基于地面力学理论,研究仿生足的触地结构/行为与滩涂地面接触力学,建立面积-沉陷、压力-沉陷、牵引-沉陷等力学模型;最终整合结构、材料、运动姿态等研制出一款刚柔耦合变面积抗沉陷仿生足,并进行性能测试、迭代优化,从固-液混合物响应的细观行为,分析该仿生足的抗沉陷机理。本项目将为滩涂地面抗沉陷机器人足/步行轮足的研制提供解决方案。
英文摘要
The key to mechanized operation on the beach ground is to solve the problem of traction trafficability of mobile mechanism. Since the mallard foot is the main actuator in direct contact with the ground, its structural morphology, material assembly and motion posture as well as their coordination play an important role in anti-sinkage locomotion, which provides an ideal bionic prototype for the design of leg-foot mobile mechanism. To reveal the anti-sinkage mechanism of mallard foot, this project intends to study the kinematics and dynamics of the adaptive contact between the structure / behavior of mallard foot and the beach ground from the aspects of toe-web structural morphology, biomaterial coupling assembly, toe-web / bipedal synergetic locomotion strategy. Based on the principle and technology of bionic engineering, the key problems of bionic foot, such as toe-web structural morphology, rigid-flexible material coupling assembly, toe-web connection and opening and closing drive, will be solved. Based on the theory of terramechanics, the contact mechanics between the touchdown structure / behavior of bionic foot and the beach ground will be studied, and the mechanical models of area - sinkage, pressure - sinkage and traction - sinkage will also be established. Finally, a rigid-flexible coupling variable area anti-sinkage bionic foot will be developed by integrating the structure, material and motion posture, and the performance test and iterative optimization will also be carried out. The anti-sinkage mechanism of the bionic foot will be analyzed from the mesoscopic behavior of solid-liquid mixture response. This project will provide a solution for the development of anti-sinkage robot foot or walking wheel foot on the beach ground.
绿头鸭,常年生存在滩涂地带,其蹼足已具备优异的抗沉陷运动特性。基于绿头鸭蹼足结构形貌特征,重构了绿头鸭足趾-蹼结构形貌,建立了绿头鸭足底特征数学模型,证明了绿头鸭足底固沙限流功能;基于绿头鸭足生物材料组装特性,得到了绿头鸭足骨骼肌腱等生物材料组装模型,分析了绿头鸭足肌腱等生物组织的宏微观形貌,并明确了其运动生物力学功能;基于绿头鸭足趾-蹼协同运动特性,研究了绿头鸭足应对速度以及石英砂粒径、厚度、湿度、软硬程度、坡度变化的主动适应策略,绿头鸭足趾-蹼是作为一个耦合系统,共同参与到运动中,但在不同的地面条件影响下,足趾和各个关节所发挥的作用不同;基于绿头鸭足-地耦合接触动力学,获得了绿头鸭运动过程中足底压力分布和动态变化规律,确定了外侧足趾以及跖垫为主要承载区;基于绿头鸭足生物结构形貌、材料组装、趾-蹼协同运动学与动力学等研究结果,揭示了绿头鸭足多因素耦合影响下的抗沉陷运动机理。基于工程仿生原理与技术,以绿头鸭足趾-蹼结构形貌、刚柔材料耦合组装、趾-蹼协同运动等为仿生原型,设计了刚柔耦合变面积抗沉陷仿生足;基于地面力学理论,探究了仿生足侵入、提升、剪切、冲击等复杂动作与湿软介质互作关系和颗粒微细观行为,建立了仿生足承压、剪切、冲击等地面力学模型;借助轮/足-壤运动学与力学性能测试平台,测试了仿生足牵引通过性能,变面积仿生足驱动力矩和前进距离均大于蹼张开/闭合仿生足,沉陷量介于两者之间;基于足壤互作力学、颗粒微细观行为、仿生足性能测试等研究结果,揭示了仿生足抗沉陷机理;将抗沉陷仿生足应用于农用步行轮,通过田间试验测试其牵引通过性能,相比传统水田轮,仿生步行轮在水田地面最大牵引力提高了97.29%,最大牵引效率提高了30.22%,验证了其在湿软地面优越的牵引通过性能。本项目研究成果有望为滩涂等湿软地面抗沉陷机器人足/步行轮研制提供理论支撑和技术解决方案。
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