仿生设计灵感来自火星取样勺喜马拉雅旱獭爪

文摘

洞穴动物往往适应地下挖掘和生活,与爪脚趾取样勺相似的结构和功能。摘要喜马拉雅旱獭的抓脚趾被选作为仿生生物原型研究。基于几何参数优化的抓脚趾,仿生取样勺在火星上被设计使用。使用三维激光扫描仪,点云数据的第二战线爪趾收购。参数方程和轮廓曲线的爪然后用三次多项式拟合。我们获得18个特征曲线方程的内部和外部轮廓爪。仿生取样勺设计的结构参数好奇心取样铲和喜马拉雅旱獭的轮廓。验证试验结果表明,当渗透角是45°和采样速度0.33 r / min,仿生取样勺的阻力扭矩是49.6%不到的原型取样勺。渗透角60°时,采样速度是0.22 r / min,仿生的阻力扭矩取样勺低28.8%比原型取样勺。

1。介绍

地球最相似的行星在太阳系,火星是一个重要的深太空探索的焦点(1,2]。分析火星土壤可以帮助我们发现是否有水,甚至生命,并提供其他关键问题的答案,但是火星表面的复杂,其浅层土壤可以被冻结和石头3]。凹凸不平的表面会导致不规则的阻力和扭矩采样期间的变化,影响能源消耗和过程的稳定性和效率。此外,质量和空间限制在启动创建许多设计和优化的挑战。

独家报道的维京人飞船发射在1975年由NASA的采样深度10厘米和能源消耗1厘米的土壤样本³第4 - 9的kJ [4,5]。2008年,美国宇航局凤凰城火星探测器有一个多功能取样铲,不仅可以执行挖掘行动使一个洞还获得样品从土壤表面以下的提示和锯齿状的叶片末端的铲6,7]。2011年,NASA发射了好奇心火星,该机配备了取样铲勺,筛,部分粉岩石和土壤的样本(8]。pliers-type采样机制由香港理工大学上使用2号火星任务的欧洲航天局(ESA)9,10]。

在火星上研究采样设备和取样器的形状,约翰逊和金研究了水平和垂直应力分布在抽样与斗轮挖模拟火星土壤取样器(6]。工艺等人表现出冲击挖掘系统来减少所需的下压力给定土壤渗透(8]。基于欧洲2号兰德里等人开发了一个设备可以进行浅表面采样和收集样本表面约0.5米以下(11]。Gruntz开发出一种抓取采样器,可用于抓住土壤或岩石的样本(12]。日本久保田公司等人开发了一个终端执行器,可以挖掘样本和测试认证后表现出良好的稳定性13]。

在自然界中,许多洞穴动物进化抓脚趾与机械性能,帮助减少阻力。喜马拉雅旱獭,生活在青藏高原,是一个soil-burrowing动物适应气候、土壤等环境条件(14,15]。其非凡的挖掘性能的灵感是外星行星的新采样器的设计。仿生结构工程的方法用于研究不同生物结构基于原型从性质和机械原理,然后仿生模拟工程结构用于提高效率的外部形态和内部机制。

喜马拉雅旱獭的第二战线抓脚趾作为原型,取样器的配置优化是通过理论分析和仿真研究,以减少在挖掘阻力。该方法的实用性和有效性的仿生设计和优化然后由实验验证。

2。生物原型

2.1。喜马拉雅旱獭的几何抓脚趾

喜马拉雅旱獭的特点,为它提供了巨大的挖掘能力有可能被人类开发和利用。身体敦实,四肢短和厚粗短的前腿和锋利的爪子,便于挖掘;抓脚趾,直接接触土壤,有典型的挖掘结构。的前足有四个抓脚趾和五个它后脚上。其前面的手掌小于后手掌。前腿和后腿的主要功能是不同的。后腿的主要功能包括支持土拨鼠的体重,增加它的速度,在挖掘和发挥子公司支持作用。前腿被选为仿生原型的取样器的设计。选择的爪子在这项研究中被移除从喜马拉雅旱獭的身体和风干。抓脚趾如图的特性1。我们可以看到在图1(一),第二个脚趾是最长的,第四个脚趾是最短的。如数据所示1 (b)和1 (c),抓脚趾可以被描述为一个三维对象,与长度、厚度,高度。五抓脚趾成年土拨鼠是测量。

抓脚趾的宏观几何参数与游标卡尺测量。测量前抓脚趾如图2。最长的脚趾,第二个脚趾在挖掘是第一个接触地面。其他脚趾可以穿透土壤更容易和更少的阻力比所有的脚趾,同时渗入土壤。

厚度之间的最大距离是两个平行的脚趾。请注意,这里有小脚趾的厚度差异。第二个脚趾是最厚的。脚趾厚度越小,在挖掘将荷载作用面积越小,电阻越小。然而,薄的脚趾可能导致低效率在挖掘土壤可能更容易左脚趾之间。

的高度抓脚趾水平之间的距离飞机P1和P2,如图1 (d)。脚趾高度图所示2。虽然身高差异并不大,第二个脚趾是最高的第四个脚趾是最低的。通过比较和分析的脚趾的长度和高度,每个脚趾的规则的曲线可以透露。

第二个脚趾长,略高,比其他三个脚趾。因此,第二个脚趾的脚是选择表面形态分析。

2.2。提取抓脚趾的点云

喜马拉雅旱獭的挖掘能力密切相关的形态学抓脚趾。如图1(一),第二个脚趾比其他脚趾在所有维度。我们使用一个非接触生动的9103 d三维激光扫描仪获取爪趾点云的特征,如图3 (b)。保持稳定的抓脚趾和保证精确测量,支持设备是橡皮泥做的,如图4(一)。

获得的过程抓脚趾的点云是由软件自动控制。舞台被60°之间扫描。在图所示的点云4 (b),结果在去噪和平滑图所示4 (c)。

图5(一个)显示了外部轮廓点云。使用一个垂直平面通过爪从右到左每隔0.3毫米,10点云提取的特性曲线。内部和外部轮廓特征点数据所示5 (b)和5 (c),分别。

经过比较和分析,一个三次多项式方程被用来适应点云数据。数据拟合曲线评价系数的决心和残差平方和(SSE)。上交所值接近于零,更好的曲线的拟合。是接近1,表明每一对之间高度相关的数据。

外部轮廓特征点是使用Matlab拟合。曲线拟合结果如图所示6。

曲线的拟合曲线2 - 8是更好的在0.5到10毫米的范围值都大于0.98。然而,曲线1、9和10没有更好,因为双方的爪趾包含一些有效的数据点。这些曲线被移除。表1列出了其他七个曲线参数。

曲率系数是用于确定爪的方向,如图7。所有的曲线显示对称双峰性除了曲线2。作为一个例子,曲线3,曲率系数先增加然后减少,范围从0毫米到7毫米。这一趋势是明显的范围从7毫米至10毫米。曲率系数的最小值是爪长度的一半。

图8显示内部轮廓特征点的拟合曲线。曲线1和10因为贫穷没有显示拟合。表2列出了其他九个曲线参数。范围内的数据的配合是好的从4毫米到7.5毫米。7.5毫米至10毫米,曲线3 - 8显示一个更好的选择比曲线2和9。曲线2和9是远离中心的爪,所以单独的数据。波动的性质也大,所以这两条曲线也被删除。

如图9,我们计算拟合曲线的曲率系数3 - 9。

在有效的脚趾的长度5毫米到11毫米,8拟合曲线的曲率系数波动范围从0毫米到0.5毫米。拟合曲线的曲率系数3 - 7显示对称双峰性和曲率系数的最小值是零在脚趾的长度从8毫米到9.3毫米。最重要的变化曲率系数曲线5所示。

曲率系数计算曲线来表达不同的弯曲程度,揭示爪的内部和外部的表面有一个轴向弧,这可以减少阻力在脚趾和土壤之间的相互作用。

3所示。仿生设计和验证

3.1。仿生设计

基于结构和规模好奇心取样勺喷气推进实验室所采用的数据所示10 ()和10 (b),取样铲生产以下维度:毫米,毫米,毫米,毫米。与此同时,基于拟合曲线的爪,仿生取样勺如图11也是设计。

内部拟合曲线5被选为仿生曲线1的基础上(1)。仿生的控制方程曲线1的仿生scale-taken取样铲是爪趾内轮廓曲线拟合曲率5:

外部的拟合曲线6和3被选为仿生曲线2和3,分别。

3.2。实验验证

采样和控制系统试验台的土壤采样设计包含四个主要部分:土壤,铲设备,挖掘装置和控制器。实验装置如图12。

的主要控制参数铲设备和挖掘设备渗透角,铲或挖掘的速度,阻力矩,和时间。取样勺,挖测试三个速度(0.11,0.33,和0.56 r / min)和两个渗透的角度(45°和60°)。挖掘测试见图13。这个过程分为三个部分:接触土壤,旋转旋转中心周围的取样器,和土壤。这个抽样过程重复三次。

取样器和仿生原型取样器的转矩曲线三种不同的速度和相同的渗透角(45°)数据所示(14日)- - - - - -14 (c)。图表明,仿生取样铲可以减少采样电阻。0.11 r / min的采样速度,0.33 r / min,和0.56 r / min,仿生取样器降低最大扭矩55.6%,49.6%,和57.6%,分别与样品相比。仿生抽样的扭矩是温柔,这显示好稳定的过程中重复测试。

当渗透角60°和采样速度是0.11 r / min, 0.22 r / min,和0.56 r / min,仿生取样器有更小的转矩比样品31.9%,28.8%,和27.4%,如图15。很明显,仿生取样铲可以有效地降低转矩与样品相比,渗透的角度是60°时,采样电阻低于当渗透角是45°。这是因为随着渗透角的增加,孔变成了浅和阻力减少。

4所示。结论

我们可以总结以下:(1)测量后脚趾的前足喜马拉雅旱獭,我们可以看到,第二个脚趾的平均长度为12.72毫米,厚度为2.51毫米,高度是4.0毫米,这是更大的价值比其余的脚趾。第四个脚趾是最小的。考虑到土拨鼠的挖掘习惯,我们得出的结论是,第二个脚趾抓挖前脚是最重要的。(2)通过三维扫描,我们获得的点云数据的第二脚趾喜马拉雅旱獭的爪子。然后我们使用多项式拟合特性在Matlab和获得点云数据的拟合曲线。分析特性曲线显示,脚趾的中心距离越大,越不稳定特征曲线拟合方程。分析曲率系数揭示了对称的双峰性;即显示曲率增加,然后降低之后倾向于增加曲线是水平的。(3)通过比较和分析之间的相似性喜马拉雅旱獭的爪和取样勺好奇心,我们设计了一个原型取样勺。仿生设计取样勺也是基于内部和外部的拟合曲线。(4)我们分析了仿生的阻力矩样本抽样铲铲和原型。通过比较仿生取样勺的转矩和转矩的原型取样勺,我们发现的最大扭矩仿生取样勺是55.6%,49.6%和55.6%不到原型取样勺在三个不同的速度和渗透45°角。60°,渗透角时的最大扭矩仿生取样勺是31.9%,28.8%和27.4%不到原型取样勺。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号上海51375199),科学基金重点实验室飞船机制(批准号1412005),吉林大学国防研究基金(批准号419140100008)。

引用

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