基于鸵鸟足底形态特征的火星巡视器车轮仿生研究

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1、基于鸵鸟足底形态特征的火星巡视器车轮仿生研究BionicResearchinMarsRoverWheelBasedonPlantarMorphologicalCharactersofOstrichFoot作者姓名：杨明明专业名称：农业机械化工程指导教师：张锐教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月3日摘要摘要基于鸵鸟足底形态特征的火星巡视器车轮仿生研究本文基于鸵鸟足底特殊曲面在沙土中具有的优良的通过性能，研究其独特的形貌特征、曲面/沙土相互作用规律以及鸵鸟足在触地过程中两趾配合规律，并结合

2、仿生学原理，利用工程仿生技术，设计了一种高通过性火星巡视器车轮结构，并对所设计的仿生车轮通过性能进行了探究。利用三维激光扫描仪获取鸵鸟足的几何模型，结合逆向工程软件GeomagicStudio对几何模型进行处理，把鸵鸟足底曲面划分为第Ⅲ趾底曲面的前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面以及第Ⅳ趾底曲面四个鸵鸟足底特征区域，并利用EDEM离散元软件和有限元软件对鸵鸟足底曲面静态下压数值模拟和足底曲面形变分析，探索了鸵鸟足底曲面[1]固沙限流防滑移机理。结果表明：鸵鸟足底曲面下沙土颗粒流动程度沿足宽方向大

3、于沿足长方向，表明鸵鸟足底曲面形貌更好地减缓了鸵鸟足在沙地上的前行滑移程度。在鸵鸟足多曲面结合形貌中，第Ⅲ趾底中间凹槽面固沙限流效果最好，此区域的沙土颗粒群受力呈现网格状稳态紧固分布。结合逆向工程软件GeomagicStudio、三维设计软件Catia中的数字化设计模块点云过滤功能以及MATLAB软件的曲面拟合功能，对鸵鸟第Ⅲ趾足底三个典型曲面及第Ⅳ趾底曲面进行数学建模，实现把鸵鸟足由生物模型向数学模型的转化，并得到第Ⅲ趾底曲面的前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面以及第Ⅳ趾底曲面的数学方程分别为

4、：222Z=428.2+1.26x+2.317y+0.0066x-0.00023xy+0.01735y，R=0.9485；222Z=340.7-2.208x+3.016y-0.017x+0.0009xy+0.04339y，R=0.9607；2222222x/47.4708+y/30.1852+(z+70)/70=1，R=0.95；222Z=307.2+0.28x+1.081y+0.003587x-0.0009xy+0.0213y，R=0.953。根据鸵鸟足第Ⅲ趾底三个典型曲面的曲面特征及连接方式

5、，结合越沙轮本身结构特点和越沙机理，利用仿生学原理，在大型三维设计软件Catia中设计出仿生越沙轮轮面。并加工成实物模型，利用精度较高的车轮/土壤土槽测试系统，从车轮的轮辙、挂钩牵引力和滑转率等方面来研究仿生鼓行车轮和普通鼓形轮的通过性能。并借助大型离散元软件PFC，建立与实际参数一致的土槽轮壤系统，将设计的仿生轮导入进行动态仿真模拟，研究仿生轮面的挂钩牵引力、抗沉陷能力等越沙性能，与车轮/土壤土槽结果对照。试验和仿真模拟结果表明，在相同条件下，仿生鼓形轮面的牵引性能较普通鼓形轮面提高3倍左右。

6、采用高速摄像系统并结合SimiMotion运动分析软件，对鸵鸟足在不同角度的侧斜I吉林大学硕士学位论文坡路面上慢跑时单脚从触地到离地这段时间内，第Ⅲ趾和第Ⅳ趾夹角的变化规律进行探究，以寻求第Ⅳ趾与沙土相互作用时的两趾最优配合角度。最后利用仿生学原理，把鸵鸟第Ⅳ趾形貌特征以及两趾最优配合角度应用在仿生轮面与仿生轮刺设计上，借助功能强大的Catia三维设计软件在仿生轮面缓曲面上设计出合理的仿生轮刺，并进行土槽实验，研究其牵引和抗滑移性能。试验证明，在试验条件相同的情况下，设计有仿生轮刺的仿生巡视器车

7、轮比不加轮刺的仿生轮面的通过性能提高8.6%。关键词：鸵鸟足底曲面，火星巡视器车轮，固沙限流，牵引通过性，工程仿生学IIAbstractAbstractBionicResearchinMarsRoverWheelBasedonPlantarMorphologicalCharactersofOstrichFootBasedonthesuperiorperformanceofplantarsurfacemorphologyofostrichfoottravelinginsandenvironment

8、,Focusedonostrichplantarsurfacemorphology,thispaperstudiedthesurface/sandinteractionlawaswellasthecoordinatedstrategybetweentwotoesofostrichfootduringtouchinggroundprocess.CombinedwithBionicprinciple,theengineeringbionictechnologywasemployedtodesigna