【摘要】：機(jī)械腿中間位置關(guān)節(jié),對(duì)于足式機(jī)器人的承載和運(yùn)動(dòng)起到至關(guān)重要作用。傳統(tǒng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)通常將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)簡化為關(guān)節(jié)處動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的鉸接式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此,這將造成腿部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大、柔順性變差、穩(wěn)定性欠佳等問題。為了對(duì)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,本文司法自然,以能夠在復(fù)雜地形高速運(yùn)動(dòng)非洲鴕鳥的跗骨間關(guān)節(jié)為仿生原型,結(jié)合足底特殊曲面作為地面狀況感知反饋,設(shè)計(jì)了一種繩索驅(qū)動(dòng)球副仿生柔順關(guān)節(jié)。通過外場試驗(yàn),本文對(duì)鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)足底壓力進(jìn)行了采集。本文采用運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)Simi Motion和足底壓力分析系統(tǒng)Footscan,分別對(duì)鴕鳥在硬/軟地面上行走和奔跑步態(tài)下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和足底壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,關(guān)節(jié)角在奔跑步態(tài)下,相對(duì)于松軟地面,硬質(zhì)地面上觸地期會(huì)出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值。同時(shí),通過足底壓力分析得到,當(dāng)鴕鳥在硬質(zhì)地面運(yùn)動(dòng)時(shí),第Ⅲ和第Ⅳ趾同時(shí)觸地,隨后第Ⅳ趾首先離地,然后第Ⅲ趾依次離地。當(dāng)鴕鳥在松軟地面運(yùn)動(dòng)時(shí),第Ⅲ趾中部首先觸地,隨后第Ⅳ趾觸地再離地,然后第Ⅲ趾逐漸離地。本文通過大體解剖、CT掃描、納米壓痕對(duì)鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)的尺寸及其材料力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了測試。結(jié)果表明,關(guān)節(jié)外側(cè)有半月板,形狀走向與矢狀面平行,內(nèi)側(cè)無半月板,與矢狀面成15°夾角。脛骨遠(yuǎn)端軟骨厚度較為均勻,均值為0.54mm,跗跖骨近端軟骨在骨窩處軟骨厚度明顯大于中部位置。跗跖骨近端關(guān)節(jié)處存在兩個(gè)滋養(yǎng)孔,呈現(xiàn)43°夾角排布,滋養(yǎng)孔周圍的力學(xué)特性呈現(xiàn)非均勻分布。通過CT數(shù)據(jù)Hu值得到滋養(yǎng)孔周圍的密度和彈性模量的推算公式,經(jīng)過納米壓痕測量數(shù)據(jù)驗(yàn)證,該公式能準(zhǔn)確估算滋養(yǎng)孔周圍的骨骼材料力學(xué)特性。本文通過CT掃描及逆向工程技術(shù)重構(gòu)了鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)的三維模型,并對(duì)關(guān)節(jié)的承載特性以及滋養(yǎng)孔應(yīng)力集中影響因素進(jìn)行了分析。通過對(duì)關(guān)節(jié)靜態(tài)承壓分析可知,脛骨骨髁和跗跖骨骨窩為關(guān)節(jié)的主要承載區(qū)域。前側(cè)載荷明顯大于后側(cè)載荷,外側(cè)載荷明顯大于內(nèi)側(cè)載荷。載荷偏向于后側(cè),脛骨骨髁后部的棘刺、外側(cè)后角尾骨能有效防止關(guān)節(jié)過度伸展。載荷偏向于外側(cè),有益于增加支點(diǎn)距離,增加鴕鳥靜態(tài)站立的穩(wěn)定性。通過動(dòng)態(tài)分析可知,觸地過程中關(guān)節(jié)表面載荷從關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)逐漸轉(zhuǎn)移到中部和外側(cè),從前側(cè)逐漸轉(zhuǎn)移到后側(cè)。最后,通過對(duì)鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)滋養(yǎng)孔雙孔形狀、孔徑走向、構(gòu)建外形、孔周圍非均勻性材料和載荷位置對(duì)滋養(yǎng)孔應(yīng)力分布的影響數(shù)值模擬表明,這些因素通過將應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)移到孔洞周圍區(qū)域,來避免因孔洞的存在導(dǎo)致力學(xué)性能削弱。通過對(duì)鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)因素優(yōu)化簡化,采用工程仿生技術(shù),本文設(shè)計(jì)了一種繩索驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人仿生柔順關(guān)節(jié);同時(shí)結(jié)合足底壓力曲面,本文設(shè)計(jì)了一套足底感知反饋調(diào)整系統(tǒng)。結(jié)果表明,仿生關(guān)節(jié)在地面粒徑和硬度越大的地面上運(yùn)動(dòng),觸地期角度變化的范圍也越大,即關(guān)節(jié)在硬度越大的地面介質(zhì)上運(yùn)動(dòng)所受沖擊越大。同時(shí),通過仿生關(guān)節(jié)在不同硬度地面上的運(yùn)動(dòng),驗(yàn)證了足底感知輔助支撐系統(tǒng)的有效性。本文設(shè)計(jì)繩索驅(qū)動(dòng)的球副式仿生關(guān)節(jié),能夠?qū)崿F(xiàn)各種地面的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)、能夠有效減小關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量并且通過球副關(guān)節(jié)的滑動(dòng)和繩索的收縮來增大關(guān)節(jié)的柔順性。此外,足底感知系統(tǒng)能夠有效判斷地面環(huán)境的松軟程度,從而驅(qū)使輔助趾運(yùn)動(dòng),達(dá)到輔助支撐的效果。本文的研究對(duì)于足式機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)形式和運(yùn)動(dòng)優(yōu)化有著重要的參考價(jià)值和啟發(fā)意義。 【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：Q811

【圖文】：

圖 A 健康脂肪細(xì)胞 圖 B 炎癥脂肪細(xì)胞圖 1.1 髕下脂肪對(duì)比圖[8]前交叉韌帶撕裂是一種常見的關(guān)節(jié)軟組織損傷，通常的治療方法是韌帶重建手術(shù)，其目的是恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和預(yù)防繼發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎。盡管臨床效果很好，但是從長期來看年輕患者韌帶重建后仍然會(huì)面臨關(guān)節(jié)的早期退化—以關(guān)節(jié)炎的形式表現(xiàn)出來。G. Marchiori 等人為了炎癥的誘發(fā)因素和病變過程，采用動(dòng)態(tài)立體攝影測量和核磁成像技術(shù)，對(duì)關(guān)節(jié)的生物力學(xué)和軟骨組織形貌進(jìn)行了分析。通過對(duì) 42 名患者 18 個(gè)月的跟蹤調(diào)查表明，韌帶重建手術(shù)后，長期來看會(huì)造成不同程度的韌帶松弛，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨的負(fù)荷失衡，最終導(dǎo)致軟骨磨損和退化[9]。Deckers C 等人對(duì)平均隨訪時(shí)間為 23 周(范圍為 1—104 周)的 29 項(xiàng)動(dòng)物前交叉韌帶重建影響對(duì)比研究進(jìn)行了系統(tǒng)的概括。結(jié)果表明前交叉韌帶重建不能使關(guān)節(jié)軟骨免受退行性改變。基于發(fā)病機(jī)理的一致性，文章推測前交叉韌帶重建對(duì)于人類關(guān)節(jié)軟骨的病變過程可能是一致的[10]。

圖 A 健康脂肪細(xì)胞 圖 B 炎癥脂肪細(xì)胞圖 1.1 髕下脂肪對(duì)比圖[8]前交叉韌帶撕裂是一種常見的關(guān)節(jié)軟組織損傷，通常的治療方法是韌帶重建手術(shù)，其目的是恢復(fù)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性和預(yù)防繼發(fā)性骨關(guān)節(jié)炎。盡管臨床效果很好，但是從長期來看年輕患者韌帶重建后仍然會(huì)面臨關(guān)節(jié)的早期退化—以關(guān)節(jié)炎的形式表現(xiàn)出來。G. Marchiori 等人為了炎癥的誘發(fā)因素和病變過程，采用動(dòng)態(tài)立體攝影測量和核磁成像技術(shù)，對(duì)關(guān)節(jié)的生物力學(xué)和軟骨組織形貌進(jìn)行了分析。通過對(duì) 42 名患者 18 個(gè)月的跟蹤調(diào)查表明，韌帶重建手術(shù)后，，長期來看會(huì)造成不同程度的韌帶松弛，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)軟骨的負(fù)荷失衡，最終導(dǎo)致軟骨磨損和退化[9]。Deckers C 等人對(duì)平均隨訪時(shí)間為 23 周(范圍為 1—104 周)的 29 項(xiàng)動(dòng)物前交叉韌帶重建影響對(duì)比研究進(jìn)行了系統(tǒng)的概括。結(jié)果表明前交叉韌帶重建不能使關(guān)節(jié)軟骨免受退行性改變�；诎l(fā)病機(jī)理的一致性，文章推測前交叉韌帶重建對(duì)于人類關(guān)節(jié)軟骨的病變過程可能是一致的[10]。

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本文編號(hào)：2712378