典型四足动物足部缓冲减震功能多元耦合机制及其仿生设计与优化

本项目针对制约四足仿生步行机器人动态快速行走实现的腿-足缓冲减震科学问题，以典型陆地四足动物（德国牧羊犬）的足部为研究对象，研究对角小跑运动中牧羊犬足部触地冲击过程的足部运动学和动力学行为; 分析足-地接触的力学作用特征，探讨脚掌拓扑结构对地面冲击作用进行调整和适应的规律；建立精细的三维足部足垫-骨骼-韧带-肌肉系统模型，模拟研究冲击作用过程足内部的力学响应，揭示足内部组成的缓冲减震行为; 研究足垫的材料力学行为、阻尼特性和摩擦学特性，揭示足垫对冲击力和冲击能量进行缓释和耗散的作用原理，研究足垫对牧羊犬足部触地刚度和接触可靠性的影响，揭示足部缓冲减震的多元耦合机制，建立多元耦合可拓模型。在此基础上，综合考虑构形、材料、拓扑结构等因素，优化设计出一种具备良好缓冲减震性能的仿生足，并提出设计准则，为快速动态步行机器人腿-足的创新设计及相关领域的缓冲减震问题研究提供重要的理论依据和生物力学基础。

项目按计划执行，项目针对制约四足仿生步行机器人动态快速行走实现的腿-足缓冲减震科学问题，本项目以陆地四足动物-德国牧羊犬的足部为研究对象，建立了犬下肢的多环节刚体模型，结合三维运动捕捉技术与测力板常速行走、对角小跑和跳跃运动状态下的牧羊犬足部触地冲击过程的足部运动学和动力学行为进行了测试分析; 分析了三种步态模式下犬足-地接触的力学作用特征，揭示了犬下肢关节角及脚掌对地面冲击作用进行调整和适应的规律；建立了三维足部足垫-骨骼-韧带系统模型，模拟研究了冲击作用过程足内部的力学响应;结合组织切片和静、动态材料力学测试，明晰了足垫的材料力学非线性本构关系、阻尼特性，揭示了足垫的宏观离散分布模式及微观拓扑结构对冲击力和冲击能量进行缓释和耗散的作用原理，揭示了足部缓冲减震的多元耦合机制，建立了材料和结构相耦合的可拓模型。在此基础上，设计了一种具备良好缓冲减震性能的刚柔耦合缓冲仿生足，为快速动态步行机器人腿-足的创新设计及相关领域的缓冲减震问题研究提供了重要的理论依据和生物力学基础。