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械足模型設(shè)計

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；通過雉雞運動實驗運用simi motion測量計算出雉雞在不同速度行走及奔跑時相關(guān)運動參數(shù)。由此整理提煉出仿生信息，從而完成機械足模型的設(shè)計，達到機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；機械足設(shè)計

1 研究背景及目的

目前的仿生機械足多針對于某一種特殊的路面情況進行高通過性的研究設(shè)計，適用范圍小。此外，多數(shù)的仿生機械足采用剛性設(shè)計，在機械運行過程中，與地面接觸會產(chǎn)生較強的沖擊，使得足部易受損，從而導(dǎo)致機器人運行不穩(wěn)定并產(chǎn)生能量損耗。通過對雉雞足宏微觀結(jié)構(gòu)與對雉雞足各相關(guān)結(jié)構(gòu)的形貌測量，基于相似工程原理和工程仿生技術(shù)獲取用于仿生機械足的仿生信息進行仿生機械足的設(shè)計。采用adams軟件，進行在兩種主要地面模擬的測試分析，對仿生機械足進行進一步優(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 實驗及仿生信息的提取

2.1 雉雞足解剖實驗

由于雉雞足為生物原型，需要對雉雞足的宏觀及其結(jié)構(gòu)有清楚的認(rèn)識。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)，為之后的機械足設(shè)計提供基礎(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，對雉雞足上的肌腱的作用進行觀察分析。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動方式的聯(lián)系。其中，足心處有單獨控制各個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。同時趾與趾之間有控制張角的肌腱。為方便注明各數(shù)據(jù)，對雉雞左足趾編號，后側(cè)趾為I趾，逆時針方向分別為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，選定彈簧為機械足的控制部分，實現(xiàn)仿生機械足在接觸地面時的緩沖作用及足趾間的靈活性。

2.2 雉雞運動實驗

通過高速攝像機記錄雉雞運動視頻，對雉雞足運動時的動作變化進行觀察分析，其足部各趾觸地的先后順序及單只足部觸地和懸空時間是雉雞足運動的主要特征。本文對雉雞足運動形態(tài)進行觀察分析，并對雉雞進行不同速度下的運動實驗，得到測試對象的運動規(guī)律。

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

（2）實驗過程。打開兩臺高速攝像機，對標(biāo)定架進行攝像，之后將雉雞置于跑步機上。啟動機器，控制跑步機的速度逐步遞增，速度到達設(shè)定速度時，按下閃光燈作為記步起點。目測雉雞運動達到五個完整步后，停止跑步機并暫停錄像，并對視頻進行編號。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，進行數(shù)據(jù)處理。通過SIMI motion軟件，分別測出雉雞右足足尖剛觸地時間、剛離地時間、再觸地時間與步長，并計算雉雞的運動速度，如圖1、2。

圖1 雉雞右足觸地和擺動時間圖像 圖2 雉雞步長變化圖

（3）結(jié)論。雉雞在運動過程中，隨著速度的增加，單足的觸地時間減小，擺動時間基本不變，步長加長。此外，雉雞在運動時，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動特點為仿生信息。

3 模型的建立及驗證

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

圖3 模型三維圖

對該模型進行動力學(xué)仿真分析，主要分析四個拉簧所提供的拉力。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，拉簧連接于機械趾骨下段中部及連桿遠底盤0.75自身長度的位置。仿真過程中，樣機整體運行平穩(wěn)，能實現(xiàn)目的效果。由于實驗以機械趾骨不被地面干涉的理想條件進行，拉簧力會產(chǎn)生波動。通過設(shè)置不同的拉簧k值，可得波動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 機械趾骨下段勢能變化圖

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。由對應(yīng)的機械趾骨下段勢能圖可知，隨底盤的上升，機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，故為負值），達到包絡(luò)效果。故該機械足對多石路面具有一定的通過性。

4 結(jié)語

本項目以雉雞足為生物原型，利用工程仿生技術(shù)設(shè)計，結(jié)合機器人足端與地面接觸的相關(guān)論文的查閱及分析，通過動力學(xué)分析軟件，實現(xiàn)仿生機械步行足的設(shè)計和仿真分析，驗證其具有一定的通過性，為之后進行多環(huán)境適應(yīng)性的機械足研究提供初步的設(shè)計思想，并為進一步研究雞足部構(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