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黄牛在松软地面的行走运动及仿生应用

作　者: 陈勇
导　师: 陈秉聪；佟金
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 松软地面行走机构黄牛蝗虫仿生仿真
分类号: S222
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 253次
引　用: 2次
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内容摘要

采用高速摄像技术,记录了黄牛在春耕前水稻田中的运动过程,对黄牛行走时的运动步法及步态特点进行了分析。利用逆向动力学理论,建立了黄牛在水稻田上行走时的运动学方程,分析了黄牛质心的位移、速度、加速度和土壤作用力的变化。通过数据处理和曲线拟合,绘制了黄牛腿部各关节的转角、角速度和角加速度曲线,分析了黄牛在水稻田上的运动特性。根据黄牛在水稻田中的运动特性,设计了仿黄牛行走机构。采用高速摄像技术,记录了黄胫小车蝗的跳跃过程,分析了黄胫小车蝗的跳跃特性。根据黄胫小车蝗腿部的跳跃机理、驱动机理和缓冲机理,设计了仿蝗虫弹簧减震装置,用来减轻因路面的凹凸不平对行走机构造成的冲击力。应用虚拟样机技术,对仿黄牛行走机构和仿蝗虫弹簧减震装置建立了虚拟样机仿真模型,进行了三维动态仿真分析,为仿黄牛行走机构和仿蝗虫弹簧减震装置物理样机的结构设计提供了有力的参考依据。

全文目录

提要  5-10
1 绪论  10-24
  1.1 松软地面行走机构研究的目的和意义  10
  1.2 松软地面行走机构仿生设计的研究方法  10-11
  1.3 松软地面行走机构的国内外研究进展  11-21
    1.3.1 半步行轮  11-13
    1.3.2 步行轮  13-14
    1.3.3 仿牛蹄水田轮  14-15
    1.3.4 仿驼足轮胎  15-16
    1.3.5 跨步轮  16-17
    1.3.6 推拉式气垫运载平台  17-18
    1.3.7 半浮式仿生行走机构  18-21
  1.4 论文的主要研究内容  21-24
2 黄牛运动步态的实验与分析  24-52
  2.1 高速摄像技术  24-27
    2.1.1 二维摄像测量原理  24-26
    2.1.2 高速摄像的数学描述  26-27
    2.1.3 高速摄像技术在黄牛步态中的应用  27
  2.2 图像的预处理  27-31
    2.2.1 噪声抑制  28-29
    2.2.2 灰度校正  29-30
    2.2.3 几何校正  30-31
    2.2.4 散焦校正  31
  2.3 黄牛在水稻田行走步态的分析  31-35
    2.3.1 实验条件和研究方法  31-33
    2.3.2 黄牛的步态特征  33-35
  2.4 水稻田土壤参数  35-41
    2.4.1 水稻田土壤的特点  35-36
    2.4.2 水稻田土壤参数的测定  36-41
  2.5 高速摄像测量的误差来源  41-45
  2.6 减小影像测量误差的措施  45-47
  2.7 影像数据的平滑处理  47-50
  2.8 本章小结  50-52
3 黄牛的惯性参数  52-60
  3.1 惯性参数的概述  52-54
    3.1.1 质量和质心  52
    3.1.2 转动惯量  52-53
    3.1.3 转动半径  53-54
  3.2 黄牛的总质心和环节的质心  54-57
    3.2.1 黄牛环节的划分  54
    3.2.2 黄牛的环节质心  54-56
    3.2.3 黄牛的总质心  56-57
  3.3 黄牛环节的转动惯量  57-59
  3.4 本章小结  59-60
4 黄牛运动步态的运动学分析  60-86
  4.1 黄牛肢体的结构及运动  60-64
    4.1.1 黄牛的前肢  60-62
    4.1.2 黄牛的后肢  62-64
  4.2 黄牛的运动生物链  64-66
  4.3 黄牛运动模型的描述  66-68
    4.3.1 黄牛运动的简化模型  66-67
    4.3.2 黄牛运动的数学模型  67-68
  4.4 黄牛运动的参照系与坐标系  68-69
  4.5 黄牛肢体平动的运动学特征  69-72
    4.5.1 空间特征  69-70
    4.5.2 时间特征  70
    4.5.3 时空特征  70-72
  4.6 黄牛肢体转动的运动学特征  72-77
    4.6.1 角位移  72-74
    4.6.2 角速度  74-75
    4.6.3 角加速度  75-77
  4.7 黄牛肢体的运动  77-84
    4.7.1 腿部的运动  77-81
    4.7.2 牛蹄的运动  81-84
  4.8 黄牛在水稻田中的运动特征  84
  4.9 本章小结  84-86
5 黄牛运动步态的动力学分析  86-100
  5.1 黄牛运动的动力学研究概述  86-87
  5.2 黄牛运动过程中的力  87-88
    5.2.1 黄牛运动的内力  87
    5.2.2 黄牛运动的外力  87
    5.2.3 黄牛内外力的相互关系  87-88
  5.3 牛蹄与土壤的作用力  88-90
    5.3.1 牛顿第二定律  88-89
    5.3.2 土壤作用力  89-90
  5.4 黄牛肢体关节的作用力和力矩  90-93
  5.5 黄牛腿部动力学拉格朗日方程的建立  93-96
  5.6 黄牛运动过程的能量转换  96-98
    5.6.1 黄牛运动的动能  96-97
    5.6.2 黄牛运动的势能  97-98
  5.7 本章小结  98-100
6 仿黄牛行走机构的设计及动态仿真分析  100-128
  6.1 仿黄牛行走机构的设计  100-105
    6.1.1 行走机构的设计方案  100-101
    6.1.2 行走机构的运动原理  101-102
    6.1.3 行走机构的运动特点  102-103
    6.1.4 行走机构设计的基本问题  103
    6.1.5 行走机构的参数选择  103-104
    6.1.6 行走机构的结构设计  104-105
  6.2 仿黄牛行走机构的运动分析  105-109
  6.3 虚拟样机技术简介  109-112
    6.3.1 虚拟样机设计的流程  110
    6.3.2 系统坐标的选择  110-112
  6.4 仿黄牛行走机构的动态仿真分析  112-126
    6.4.1 建模与求解流程  112-113
    6.4.2 仿真模型的建立  113-117
    6.4.3 仿真模型参数的确定  117
    6.4.4 约束和驱动的施加  117-118
    6.4.5 动态仿真的步骤  118-120
    6.4.6 仿真方程的建立  120-122
    6.4.7 动态仿真的求解算法  122-123
    6.4.8 仿真结果分析  123-126
  6.5 本章小结  126-128
7 仿蝗虫减震装置的设计及动态仿真分析  128-140
  7.1 生物缓冲结构的特性  128
  7.2 蝗虫跳跃特性的分析  128-134
    7.2.1 蝗虫跳跃形态的实验  129-131
    7.2.2 蝗虫腿部的跳跃机理  131
    7.2.3 蝗虫腿部的驱动机理  131-132
    7.2.4 蝗虫腿部的缓冲机理  132-134
  7.3 仿蝗虫弹簧减震装置的设计  134-135
  7.4 仿蝗虫弹簧减震装置的动态仿真分析  135-138
  7.5 本章小结  138-140
8 结论及展望  140-144
  8.1 主要结论  140-141
  8.2 研究展望  141-144
参考文献  144-152
攻读博士期间发表论文、参与科研和获奖情况  152-154
摘要  154-157
ABSTRACT  157-161
致谢  161-162
导师简介  162-164
作者简介  164

黄牛在松软地面的行走运动及仿生应用

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