上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（讲课讲稿）10邹斌

鸵鸟四趾骨在越沙 行走结构中的应用 】第二小组邹斌

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四趾骨结构分析

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01/ 四趾骨结构分析 鸵鸟足具有比较独特的趾骨结构。它的每个足趾均有四个 趾骨，而其它鸟类的足趾一般只有三个趾骨。四个趾骨就 具有四个关节，而四个关节相当于四个球面副，这使鸵鸟 的足趾柔性比其它鸟类都大。（足趾较大的柔性能使鸵足 在接触沙漠时能形成内凹结构，防止足下沙土自由流动) 就鸵鸟足第Ⅲ趾来说，鸵鸟行走时该足趾只有上下运动， 而几乎没有左右摆动，所以足趾运动机构可以简化成平面 机构，该机构的自由度为4。第Ⅲ趾稍端的趾骨与趾甲相 图26第Ⅲ趾（上）和V趾（下）四趾骨 连，它可以控制趾甲的缩放。在奔跑时，这种足趾结构可 以使鸵鸟的趾甲快速地扎入沙地里，起固定作用，有效地 防止了鸵鸟足在沙地中产生滑移现象。同时，因为足趾的 灵活性比较大，所以鸵鸟可以根据所需的速度比较准确地 调节好足趾的弯曲度，在宏观上增加了鸵鸟运动的敏捷性 能，在微观上减少运动时身体的新陈代谢，提高了运动的 耐力 P3 P4

感谢您下载包图网平台上提供的PPT作品，为了您和包图网以及原创作者的利益，请勿复制、传播、销售，否则将承担法律责任！包图网将对作品进行维权，按照传播下载次数进行十倍的索取赔偿！ ibaotu.com 鸵鸟足具有比较独特的趾骨结构。它的每个足趾均有四个 趾骨，而其它鸟类的足趾一般只有三个趾骨。四个趾骨就 具有四个关节，而四个关节相当于四个球面副，这使鸵鸟 的足趾柔性比其它鸟类都大。（足趾较大的柔性能使鸵足 在接触沙漠时能形成内凹结构，防止足下沙土自由流动） 就鸵鸟足第Ⅲ趾来说，鸵鸟行走时该足趾只有上下运动， 而几乎没有左右摆动，所以足趾运动机构可以简化成平面 机构，该机构的自由度为 4。第Ⅲ趾稍端的趾骨与趾甲相 连，它可以控制趾甲的缩放。在奔跑时，这种足趾结构可 以使鸵鸟的趾甲快速地扎入沙地里，起固定作用，有效地 防止了鸵鸟足在沙地中产生滑移现象。同时，因为足趾的 灵活性比较大，所以鸵鸟可以根据所需的速度比较准确地 调节好足趾的弯曲度，在宏观上增加了鸵鸟运动的敏捷性 能，在微观上减少运动时身体的新陈代谢，提高了运动的 耐力

四趾骨在腿足式行走结构中的应用

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02 四趾骨在腿足式行走结构中的应用 1)触沙机构如鸵鸟足底一样平稳着沙后迅速增大接触面积，防止触沙底面破坏沙 土表面接合强度，采用外包络式快速变形增大； 2)触沙接触过程中均是通过机构与沙土相互作用自行达到平衡状态，即自适应性； 3)触沙机构与沙土接触表面形成内凹状态，当达到完全接触时，触沙机构底部的 内凹形状可防止足下沙土自由流动； 4)当机构上负载不断增大时，机构下内凹接触面通过自适应性结构收缩固沙状态， 即随着负载的增大，下陷量可通过对机构下沙土进行收紧加固而得到有效的控制； 5)鸵鸟在奔跑过程中，第三趾锋利的足趾甲深深地扎入足下沙士中，有效地防止 鸵鸟在快速奔跑过程滑移与沉陷，设计的触沙机构应采用自适应结构将防滑钉插入 "“足”下沙士，从而提高触沙机构的工作效率； 6)鸵鸟足离沙时，通过足下脂肪垫与乳突群反弹迅速减少接触面积并离开沙土表 面，有效防止足离沙时，对沙土的扰动或产生“挑沙”现象，触沙机构设计应该考 虑使用弹簧等自适应元器件实现这种离沙效果。 图3.2仿生触沙机构 0 0

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02 四趾骨在腿足式行走结构中的应用 评价： 1)不模仿四趾骨，依靠针状结构 快速扎入沙地，稳固性强 2)在接触沙面时为内凹结构，但 没有应用四趾骨的柔性结构，柔性 较差，灵活度低，越障能力弱 图3.2仿生触沙机构 O

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四趾骨在轮式行走结构中的应用

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03/ 四趾骨在轮式行走结构中的应用 基于鸵鸟足趾结构，将每个轮腿设计成两个部件，二 个部件相对轮毂是固定的，另一个则是活动的，“ 定一动”相互配合实现对轮下沙土的限流收紧功能。 轮足上的轮刺可仿鸵鸟足趾甲外观设计，通过弹簧和 轮腿上的活动部件进行控制，实现其两种状态一工作 1111什 与非工作状态，即在车辆未进入沙地环境或轮上负载 较小不需要大牵引力时轮刺属于非工作状态，在弹簧 图51轮腿结构示意图 力的作用下收回并且不与地面接触；反之，在活动部 件的带动下深深地扎入沙土中，提供较大的抓地力， 使车辆顺利通过沙地环境路面。 轮毅 定庭板 动底板 轮喇机构 图5.2机械结构示意图

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03 四趾骨在轮式行走结构中的应用 评价： 1)以动底板来模仿四趾骨的柔 性结构，灵活度高，越障能力 轮毅 定底板 增强 2)用轮刺来实现快速入沙，但 动底板 为平面结构，而非内凹结构， 容易滑移，稳固性差 轮刺机构 图52机械结构示意图

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对腿足式结构与轮式结构的分析 及改进方案

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