李賢，邢真銘，張慧，劉徽

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130025）

一種適于多石地面行走的剛?cè)狁詈系姆律鷻C(jī)械足模型設(shè)計(jì)

李賢，邢真銘，張慧，劉徽

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130025）

雉雞常棲息于低山丘陵，足部強(qiáng)健有力，適于奔跑。雉雞足由骨骼、軟組織、肌腱、韌帶、關(guān)節(jié)軟骨等組成。本文從生物原型的形態(tài)觀察出發(fā)，結(jié)合大體解剖學(xué)，確定了雉雞足各組織的具體分布位置及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；通過雉雞運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用simi motion測(cè)量計(jì)算出雉雞在不同速度行走及奔跑時(shí)相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。由此整理提煉出仿生信息，從而完成機(jī)械足模型的設(shè)計(jì)，達(dá)到機(jī)械足在一般粗糙路面和多石路面通過性良好的效果。

雉雞；仿生；機(jī)械足設(shè)計(jì)

1 研究背景及目的

目前的仿生機(jī)械足多針對(duì)于某一種特殊的路面情況進(jìn)行高通過性的研究設(shè)計(jì)，適用范圍小。此外，多數(shù)的仿生機(jī)械足采用剛性設(shè)計(jì)，在機(jī)械運(yùn)行過程中，與地面接觸會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊，使得足部易受損，從而導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行不穩(wěn)定并產(chǎn)生能量損耗。通過對(duì)雉雞足宏微觀結(jié)構(gòu)與對(duì)雉雞足各相關(guān)結(jié)構(gòu)的形貌測(cè)量，基于相似工程原理和工程仿生技術(shù)獲取用于仿生機(jī)械足的仿生信息進(jìn)行仿生機(jī)械足的設(shè)計(jì)。采用adams軟件，進(jìn)行在兩種主要地面模擬的測(cè)試分析，對(duì)仿生機(jī)械足進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，使得其具有合理的結(jié)構(gòu)且在兩種地面上有一定的通過性，為仿雉雞足的剛?cè)狁詈蠙C(jī)械步行足多環(huán)境適應(yīng)性上提供研究思想和理論基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)及仿生信息的提取

2.1 雉雞足解剖實(shí)驗(yàn)

由于雉雞足為生物原型，需要對(duì)雉雞足的宏觀及其結(jié)構(gòu)有清楚的認(rèn)識(shí)。通過合理的解剖步驟，逐層解剖與分析，獲取骨骼尺寸大小、基本形狀、各長度比例、控制方式等數(shù)據(jù)，為之后的機(jī)械足設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)的仿生信息。為清晰觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需將雉雞足表皮分離，完成后，觀察皮下脂肪墊，之后將脂肪墊除去，對(duì)雉雞足上的肌腱的作用進(jìn)行觀察分析。通過拉扯雉雞足部的肌腱，記錄雉雞足各肌腱與足趾之間運(yùn)動(dòng)方式的聯(lián)系。其中，足心處有單獨(dú)控制各個(gè)腳趾彎曲抓地的肌腱，控制腳趾之間張角大小的肌腱，和控制向前的三個(gè)腳趾共同抓地的肌腱；而背部有可以控制腳趾伸展的肌腱。同時(shí)趾與趾之間有控制張角的肌腱。為方便注明各數(shù)據(jù)，對(duì)雉雞左足趾編號(hào)，后側(cè)趾為I趾，逆時(shí)針方向分別為II趾、III趾、IV趾。雉雞足骨骼尺寸比例如表1。

表1

通過解剖觀察和雉雞足結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，確定以雉雞足趾骨骼為仿生機(jī)械足的支撐架；以雉雞足的脂肪墊緩沖作用及肌腱控制原理和分工特點(diǎn)，選定彈簧為機(jī)械足的控制部分，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械足在接觸地面時(shí)的緩沖作用及足趾間的靈活性。

2.2 雉雞運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

通過高速攝像機(jī)記錄雉雞運(yùn)動(dòng)視頻，對(duì)雉雞足運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)作變化進(jìn)行觀察分析，其足部各趾觸地的先后順序及單只足部觸地和懸空時(shí)間是雉雞足運(yùn)動(dòng)的主要特征。本文對(duì)雉雞足運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行觀察分析，并對(duì)雉雞進(jìn)行不同速度下的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，得到測(cè)試對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。搭建試驗(yàn)臺(tái)，以引導(dǎo)雉雞運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)為一臺(tái)電腦控制的小型跑步機(jī)，并用透明塑料板將四周圍住。為使錄像清晰，背景選用藍(lán)色的泡沫板。準(zhǔn)備一標(biāo)定架，以便simi motion軟件的計(jì)算。為保證后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中有清晰穩(wěn)定的追蹤點(diǎn)，選取白色塑料珠為標(biāo)定點(diǎn)，分別固定在雉雞的脖子、背脊、左大腿、左足三個(gè)長趾尖、左足足背和右足足尖處。完成預(yù)處理后，對(duì)雉雞進(jìn)行稱重。

（2）實(shí)驗(yàn)過程。打開兩臺(tái)高速攝像機(jī)，對(duì)標(biāo)定架進(jìn)行攝像，之后將雉雞置于跑步機(jī)上。啟動(dòng)機(jī)器，控制跑步機(jī)的速度逐步遞增，速度到達(dá)設(shè)定速度時(shí)，按下閃光燈作為記步起點(diǎn)。目測(cè)雉雞運(yùn)動(dòng)達(dá)到五個(gè)完整步后，停止跑步機(jī)并暫停錄像，并對(duì)視頻進(jìn)行編號(hào)。以0.1m/s為間隔，每組速度重復(fù)3次，根據(jù)不同雉雞情況限定其速度上限。最后整理錄像視頻，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過SIMI motion軟件，分別測(cè)出雉雞右足足尖剛觸地時(shí)間、剛離地時(shí)間、再觸地時(shí)間與步長，并計(jì)算雉雞的運(yùn)動(dòng)速度，如圖1、2。

圖1 雉雞右足觸地和擺動(dòng)時(shí)間圖像 圖2 雉雞步長變化圖

（3）結(jié)論。雉雞在運(yùn)動(dòng)過程中，隨著速度的增加，單足的觸地時(shí)間減小，擺動(dòng)時(shí)間基本不變，步長加長。此外，雉雞在運(yùn)動(dòng)時(shí)，以最長足趾尖先觸地，而后其余結(jié)構(gòu)依次落下，此過程有一定緩沖作用。故提取雉雞足足趾尖先觸地以緩沖的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)為仿生信息。

3 模型的建立及驗(yàn)證

整理仿生信息，結(jié)合雉雞足的形貌進(jìn)行仿生機(jī)械足模型設(shè)計(jì)。建立初始模型后，通過動(dòng)力學(xué)仿真分析，對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)修正簡(jiǎn)化，并進(jìn)行可行性研究。模型結(jié)構(gòu)考慮到該機(jī)械足需產(chǎn)生足趾向內(nèi)包絡(luò)的動(dòng)作，故將機(jī)械足設(shè)計(jì)為中間由壓縮彈簧連接支撐，輔以四個(gè)連接拉簧的機(jī)械足趾結(jié)構(gòu)。為避免受力不均勻使機(jī)構(gòu)產(chǎn)生偏斜，將機(jī)械趾骨對(duì)稱分布，圖3為模型三維圖。

圖3 模型三維圖

對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，主要分析四個(gè)拉簧所提供的拉力。此處初始設(shè)置壓縮彈簧的勁度系數(shù)k=50N/mm，拉簧k=25N/mm，拉簧連接于機(jī)械趾骨下段中部及連桿遠(yuǎn)底盤0.75自身長度的位置。仿真過程中，樣機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)，能實(shí)現(xiàn)目的效果。由于實(shí)驗(yàn)以機(jī)械趾骨不被地面干涉的理想條件進(jìn)行，拉簧力會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。通過設(shè)置不同的拉簧k值，可得波動(dòng)幅度大小不一的一組曲線，如圖4、5。

圖4 拉簧勁度系數(shù)與力的關(guān)系圖

圖5 機(jī)械趾骨下段勢(shì)能變化圖

最終選取拉簧的勁度系數(shù)于0.2～0.4的壓縮彈簧k，所產(chǎn)生的波動(dòng)小且可行性好。本次仿真取拉簧k=10N/mm，產(chǎn)生的拉力最大值為165.278N。由對(duì)應(yīng)的機(jī)械趾骨下段勢(shì)能圖可知，隨底盤的上升，機(jī)械趾骨所具有的能量增加（由于設(shè)置的力方向與坐標(biāo)軸正方向相反，故為負(fù)值），達(dá)到包絡(luò)效果。故該機(jī)械足對(duì)多石路面具有一定的通過性。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目以雉雞足為生物原型，利用工程仿生技術(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)器人足端與地面接觸的相關(guān)論文的查閱及分析，通過動(dòng)力學(xué)分析軟件，實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)械步行足的設(shè)計(jì)和仿真分析，驗(yàn)證其具有一定的通過性，為之后進(jìn)行多環(huán)境適應(yīng)性的機(jī)械足研究提供初步的設(shè)計(jì)思想，并為進(jìn)一步研究雞足部構(gòu)型提供了理論基礎(chǔ)、相關(guān)數(shù)據(jù)和技術(shù)依據(jù)。

TP242

A

1671-0711（2017）12（上）-0132-02