Abstract
Wiederkäuer leben in verschiedenen Landesteilen. Ähnliche gespaltene Hufe unterstützen Wiederkäuer bei der Anpassung an unterschiedliche Bodenumgebungen während der Fortbewegung. Dieses Papier analysiert die allgemeine Geländeanpassungsfähigkeit der Füße von Wiederkäuern unter Verwendung der Kinematik des äquivalenten Mechanismusmodells basierend auf der Schraubentheorie. Die Hufen könnten die Haltung anpassen, indem sie die relativen Positionen zwischen zwei Ziffern in der Schwungphase ändern. Diese Funktion hilft, eine bessere Landeausrichtung zu wählen., „Greifen „oder“ Halten “ eines Gesteins oder eines anderen Objekts auf dem Boden sorgt passiv für zusätzliche Haftkraft in dieser Phase. Wiederkäuer könnten die Position des Metacarpophalangealgelenks oder Metatarsophalangealgelenks (MTP oder MCP) ohne relative Bewegung zwischen der Fußspitze und dem Boden einstellen, was die Haftung und Geschicklichkeit in der Haltungsphase gewährleistet. Diese Funktionen leiten sich aus einem Beispiel von Gämsenfüßen und mehreren Annahmen ab, von denen angenommen wird, dass sie die Grundlage für die Anpassung von Wiederkäuern darstellen und eine stabile und kontinuierliche Bewegung gewährleisten.
1., Einführung
Tiere haben die Füße in verschiedenen Formen und Funktionen entwickelt, um sich an komplexes Gelände anzupassen. Insektenfüße haben kleine Stacheln und Haken , die ihnen beim Klettern helfen, während Geckos vertikale Oberflächen wie Wände und sogar Decken mit fünfhunderttausend Keratinhaaren besteigen können . Säugetiere haben weniger Vielfalt als Insekten und Reptilien. Wiederkäuer (Artiodactyl), die einen größeren gespaltenen Huf haben als die meisten Insekten und Geckos, einschließlich Rinder, Ziegen, Kamele und Hirsche, sind auf der Erde weit verbreitet., Trotz der verschiedenen Lebensumgebungen haben Wiederkäuer eine ähnliche Fußstruktur, die weder von Setae noch Haken bedeckt ist, was sich stark von der von Insekten und Reptilien unterscheidet. Mit Hilfe einfacher, zuverlässiger und starker Füße passen sie sich dem Gelände an, auf dem sie sich ernähren, paaren und Raubtiere sehr gut meiden. Büffel und Rinder können leicht durch Schlamm gehen . Kamele haben spezielle und weiche Füße, um Wüsten zu überqueren . Ziegen und blaue Schafe können stetig und flüchtig Klippen und Felsvorsprünge hinauf und hinunter klettern, um sich von Gras, Strauch oder Bäumen zu ernähren ., Ihre gespaltenen Hufe können sich beim Kontakt mit dem Boden ausbreiten und den Fels“ greifen“, um ein Verrutschen zu vermeiden . Frühere Studien nehmen den Fuß als Ganzes, um die beweglichen Eigenschaften zu diskutieren und keine theoretische Analyse der Kinematik des Fußes wird aufgeklärt. In der Tat ist der Fuß sehr kompliziert und besteht aus Skelett, mehreren Gelenken, Bändern, Muskeln, subkutanen und einigen Hautveränderungen . Wir glauben, dass die ähnliche Struktur die Grundlage für die Anpassungsfähigkeit von Wiederkäuern während der Fortbewegung bildet., Die theoretische Analyse der Kinematik des Fußes zeigt Bewegungsfähigkeit und Geschicklichkeit im Allgemeinen und lässt uns mehr über die Geländeanpassungsfähigkeit großer Wiederkäuer verstehen.
Dieses Papier zielt darauf ab, die allgemeinen Funktionen der Füße wie folgt herauszufinden: Wie die Füße die Haltung in der Schwungphase anpassen können und wie die Füße die Geschicklichkeit und Haftung in der Haltungsphase halten können. Ein gleichwertiges Mechanismusmodell des Fußes basiert auf dem Skelett und den Gelenken des Fußes., Mit Hilfe der Mechanismus-Kinematik und Schneckentheorie konnten wir den Arbeitsbereich des Mechanismus als Geschicklichkeitsindikator bestimmen. Schließlich verwenden wir die Länge der Gämsenknochen von Ziffern auf dem theoretischen Modell, um die Geländeanpassungsfähigkeit der Wiederkäuer zu diskutieren.
2. Methoden
2.1. Struktur der Füße von Wiederkäuern
Die Skelette und Gelenke von Manus und Tarsus von Wiederkäuern sind ähnlich, aber sie variieren in der Größe, wie Rinder , Kamele und Schafe . Die Struktur des Manus der Wiederkäuer ist in Abbildung 1 dargestellt ., Das Skelett des Manus besteht aus Karpalknochen, Metakarpalknochen und Phalangen. Bei Wiederkäuern sind noch zwei Ziffern übrig. Jede Ziffer hat drei Phalangen. Das Karpalgelenk (MCP in Forelimb) ist zusammengesetzte Gelenke. Das Karpalgelenk wirkt als Scharniergelenk. Aufgrund der komplexen Anatomie des Karpalskeletts, ergänzt durch zahlreiche Bänder des Karpus, sind die primären Bewegungen des Karpalgelenks Flexion und Extension . Bei Wiederkäuern sind die verbleibenden dritten und vierten Metakarpalknochen verschmolzen und es ist keine Bewegung möglich ., Die beiden Fetlock-Gelenke sind Scharniergelenke, die sich nur biegen und verlängern können. Die Pasternengelenke sind Sattelgelenke aufgrund der konkav-konvexen Form der Gelenkflächen. Sie wirken hauptsächlich als Scharniergelenke . Als Sattelgelenke sind Pasternengelenke jedoch ein zweiachsiges Gelenk, das Flexion und Extension sowie einen begrenzten Bereich von seitlichen Bewegungen ermöglicht . Der Sarg Gelenke sind ähnlich wie die Mittelhand-Gelenke. Tarsalgelenk (MTP im Hinterglied) ist auch zusammengesetzte Gelenke., Die Tarsalknochen und-gelenke unterscheiden sich von den entsprechenden im Vorderbein , während die Knochen und Gelenke des Metatarsus und der Ziffern ähnlich sind.
Aufgrund der Anatomie in Abbildung 1 (modifiziert von) können wir ein Diagramm eines Mechanismus zeichnen., Das Drehgelenk verbindet die beiden gleichen Äste; Jeder besteht aus einem Drehgelenk und zwei Universalgelenken. Da die beiden Zweige in dieser Phase den Boden berühren, diskutieren wir nur den Mechanismus, der aus den beiden Zweigen besteht. Das heißt, wir konzentrieren uns auf die Funktionen von zwei Ziffern, die im Manus und Tarsus im Wesentlichen gleich sind. Im folgenden Teil definieren wir Phalanxen und entsprechende Gelenke als Fuß (siehe Abbildung 2).,
2.2. Beobachtungen von Ziegenfüßen
Die Füße werden von drei erwachsenen weiblichen Ziegen (Capra hircus, Rasse) beobachtet, die eine Körpermasse von 23 bis 28 kg haben. Alle Ziegen stammten aus Peking und waren offenbar gesund. Unter der Genehmigung von Beijing Badaling Safari World und der professionellen Anleitung und Unterstützung des Personals wurden die Ziegen dazu gebracht, auf ihrer Seite zu liegen., Die Metakarpalknochen oder Metatarsalknochen wurden von zwei Mitarbeitern ergriffen, um eine genauere Beobachtung zu ermöglichen. So wurde, unbeeinflusst von der Bewegung der oberen Extremität, die Bewegung der Füße untersucht. Die Ziegen wurden sehr schnell untersucht und freigelassen, um Stress und Verletzungen zu vermeiden.
2.3. Kinematik in der Schwungphase
Der Mechanismus in Abbildung 2 ist ein offener Kettenmechanismus, der aus einer festen Plattform an der Oberseite besteht, die zwei Zweige verbindet, die sich in der Schwungphase frei bewegen können. Sowohl Zweig I als auch Zweig II bestehen aus drei seriell verbundenen Gelenken: einem Drehgelenk und zwei Universalgelenken., Die Universalgelenke sind als zwei sich an einem Punkt kreuzende Drehgelenke modelliert. In der gemeinsamen Notation (auch Schraubennotation) bezeichnet der erste Index die Verzweigungsnummer und der zweite Index die gemeinsame Nummer innerhalb der Verzweigung. (;) bezeichnet die Höhe der Gelenkrotation und (;) bezeichnet die Verbindung des Zweigs.
Gemäß der Schraubentheorie sind die Drehkoordinaten des kinematischen Paares, wo ist die Drehachse und (ist ein Punkt auf der Achse) wenn das Gelenk ein Drehgelenk ist.,
Das Querprodukt by ist ein linearer Operator und kann mit einer Matrix dargestellt werden:Die in (2) angegebene 4 × 4-Matrix ist die Verallgemeinerung der schiefsymmetrischen Matrix, die wir der vollständig erweiterten Konfiguration entsprechen lassen und Basis-und Werkzeugrahmen anbringen, wie in Abbildung 2 gezeigt. Aufgrund des Produkts der Exponentialformel für den Manipulator forward kinematic ist die Transformation zwischen Werkzeug-und Basisrahmen in Zweig I gegeben, indem sie sich auf die Transformation zwischen Werkzeug-und Basisrahmen bezieht .
Die Transformation zwischen Werkzeug-und Basisrahmen in Zweig II ist ähnlich
2.4., Kinematik in Standphase
Nach der Regelung der Haltung der beiden Ziffern in der Schwingphase können Wiederkäuer den Vorsprung von Gestein zwischen ihren Ziffern in Standphase einbetten, um die Haftung zu erhöhen und stabil zu bleiben. Allerdings können ungerade toed Säugetiere wie Pferd nicht einen Stein durch ihre ungerade Ziffer ergreifen. Zwischen den beiden Ziffern befinden sich Interdigitalbänder (Kreuzband) (der Abstand zwischen zwei Krallen wird Interdigitalspalte genannt), die in der Ziffer des Pferdes nicht zu finden sind . Distales Interdigitalband Brücken mittlere Phalanx und distale Phalanx von zwei Ziffern., Wenn der Stein in die Interdigitalspalte eingebettet ist, spritzt der Fuß heraus. Da die Interdigitalbänder diese Bewegung begrenzen, neigen die beiden Ziffern dazu, sich zu schließen. Dies ist wie “ Greifen „oder“ Halten “ des Felsens, außer dass es passiv ist. Wenn Wiederkäuer einen Felsen in dieser Phase fest „fassen“, bleibt die relative Position zwischen zwei Ziffern unverändert. Diese Situation ähnelt dem „Greifen“ eines Objekts mit zwei Manipulatoren. Der Mechanismus verwandelt sich in den single-loop-Mechanismus mit greifen Einschränkung (Abbildung 3)., Der Mechanismus besteht aus einer beweglichen Plattform unten, die oben durch zwei Zweige mit einer festen Plattform verbunden ist.
2.4.1. DOF in der Referenzkonfiguration
Branch I. Das Branch Motion-Screw-System wird durch seine Basis Constraint-screw beschrieben und seine Motion-screw sind durch Definition verwandt , .,
Nach (6) kann eine Basis für Verzweigungseinschränkungssystem berechnet werden
Verzweigung II. Das Verzweigungseinschränkungssystem wird anhand seiner Basis beschrieben
Eine Basis für Verzweigungseinschränkungssystem kann berechnet werden Dai et al. vorgeschlagen wurde ein generalisiertes Kutzbach-Grübler-Mobilitätskriterium zur Berechnung der Freiheitsgrade (DOFs) für durch Gelenke verbundene Körper mit jeweils Freiheitsgraden, wobei die Reihenfolge des Mechanismus die redundante Einschränkung darstellt und passives DOF ist. Für Single-Loop-Mechanismus, ist gleich 0, wo gemeinsame Einschränkung ist.,
Somit werden bei der Referenzkonfiguration in Abbildung 3 Die Freiheitsgrade des Mechanismus gezeichnet, wenn sich der Mechanismus nicht in der Referenzkonfiguration befindet, im Allgemeinen werden somit die Freiheitsgrade des Mechanismus gezeichnet
2.4.2. Inverse Kinematik
Die Euler-Winkel stehen zur Beschreibung der Ausrichtung der sich bewegenden Plattform relativ zur Basis zur Verfügung und beziehen sich auf die Ursprungskoordinaten der sich bewegenden Plattform. Durch Constraint-Screw-Systeme und, bewegliche Plattform kann nicht um die Achse in der Referenzkonfiguration drehen., So können die Winkel () die Ausrichtung der beweglichen Plattform des Mechanismus beschreiben. Wir definieren, dass der Rollwinkel darstellt, bezieht sich auf den Neigungswinkel, und bezieht sich auf den Gierwinkel. siehe Ursprungskoordinaten der sich bewegenden Plattformwo ist die gewünschte Konfiguration des Werkzeugrahmens.
Die Vorwärtskinematik wird in Exponentialkoordinaten als gewünschte Konfiguration beschrieben ,Für Zweig I wird diese Gleichung postmultipliziert, indem die Exponentialkarten isoliert werden: Wenden Sie beide Seiten von (19) auf einen Punkt an, der der der gemeinsame Schnittpunkt für die Universalgelenkachsen ist ()., Da if auf der Achse von ist, ergibt sichprojektion beider Seiten von (21) zur-Achse, und werden eliminiert, und wir können wie folgt bestimmen:Da bekannt ist, (20) wird Paden-Kahan Subproblem-Rotation über zwei nicht intersektierende Achsen anwenden , wir lösen für , .
Die verbleibende Kinematik kann so geschrieben werden, dass beide Seiten von (25) wie folgt auf einen beliebigen Punkt angewendet werden, der sich nicht am Schnittpunkt der Universalgelenkachsen () befindet:Anwenden von Paden-Kahan-Unterproblemen-Drehung um zwei nachfolgende Achsen und gefunden werden. Also, alle durch sind auf Zweig I bestimmt., Die inverse Kinematik von Zweig II kann ähnlich gelöst werden.
2.4.3. Der Arbeitsbereich des Mechanismus
Bei der Lösung der inversen Kinematik könnte es mehrere Lösungen geben. Wir müssen feststellen, ob die Lösungen die Einschränkungsbedingungen erfüllen. Der Arbeitsbereich wird als nützliches Maß für die Reichweite des Mechanismus bei gegebener Ausrichtung betrachtet. Es gibt zwei Arten von kinematischen Einschränkungen, die sich auf den verfügbaren Arbeitsbereich des Mechanismus auswirken: Gelenkwinkelbeschränkungen und Verbindungsstörungen ., Die Gelenke von Tieren können sich nicht um 360 Grad drehen, daher ist die Bewegung durch physische Konstruktion eingeschränkt. Da die Knochen von Tieren physische Dimensionen haben, kann es zu Störungen kommen, wenn sich der Mechanismus bewegt. Da Verknüpfungen geometrische Formen und physikalische Dimensionen haben, können beim Bewegen Verbindungsstörungen auftreten. Um die Dinge einfach zu halten, nehmen Sie an, dass jedes Glied zylindrisch mit dem gleichen Durchmesser ist. Der kürzeste Abstand zwischen zwei benachbarten Gliedern sollte größer als der Durchmesser sein . Sei der Mindestabstand zwischen den Mittellinien zweier benachbarter Verbindungen., Da ist der Mindestabstand zwischen zwei Liniensegmenten, es kann nicht gleich dem gemeinsamen senkrechten Segment der beiden Verbindungen sein (). Es gibt die Schnittpunkte zweier Verbindungen mit ihrer gemeinsamen Normalität . ist nur gleich, wenn sich beide Schnittpunkte auf den Links befinden. Wenn sich einer der Schnittpunkte oder beide nicht auf den Verbindungen befinden (dh auf der Erweiterungslinie), ist dies entweder der Abstand eines Endpunkts einer Verbindung zur anderen Verbindung oder der Abstand der Endpunkte zweier Verbindungen. Die detaillierte Methode wird in diskutiert .,
Somit unterliegen die inversen Lösungen der Kinematik folgenden Einschränkungen: Der Arbeitsbereich ist in dicke Scheiben parallel zur Ebene unterteilt. In Bezug auf jede Scheibe wird die Grenze durch die Polarkoordinatensuchmethode bestimmt (von einem Punkt innerhalb des Arbeitsbereichs aus wird der Winkel erhöht und der Radius erhöht, bis der Punkt außerhalb des Arbeitsbereichs liegt). Das Volumen des erreichbaren Arbeitsbereichs wird durch
2.5 bestimmt. Parameterbestimmung
In diesem Beitrag konzentrieren wir uns auf die Ziffern der Gämse, die in der Alpenzone lebt ., Alpines Gelände hat schneebedeckte Berge, unwegsames Gelände und alpine Wiese . Dies ist ein sehr komplexes Gelände für große Tiere. Um unter hochalpinen Bedingungen zu leben, haben Tiere verschiedene Anpassungen entwickelt . So können die Füße der Gämse ein komplexes Ganzes der Anpassungsfähigkeit sein. Die obige Methode kann auch für andere Wiederkäuer mit ähnlicher Fußstruktur gelten. Die durchschnittliche Länge der Ziffern sowohl aus dem Manus als auch aus dem Tarsus ist in Tabelle 1 dargestellt . Basierend auf den Daten können wir die Parameter im Mechanismus (Tabelle 2) abrufen, wobei der Abstand zwischen zwei Ziffern () eine Schätzung ist., Aufgrund des Fehlens konkreter Daten und Analysen gehen wir davon aus, dass der kürzeste Abstand zwischen zwei benachbarten Gliedern größer als 14 mm sein sollte, was größer ist als die Breite der proximalen Phalanx (13,6 mm). Frühere Messungen des Gelenkwinkels des Ziegenfußes zeigen an, dass der durchschnittliche Gelenkwinkel von MTP und MCP während der Haltephase (während der Stufe, des Aufstiegs und des Abstiegs) 17,6 bis 28,6° beträgt, was mit der Konfiguration in Abbildung 3 zusammenhängt und die maximale Gelenkwinkelexkursion von ihnen 26,1° beträgt ., Während Wiederkäuer auf flachem Boden laufen, werden die Gelenke während der Schwung-und Haltephase wahrscheinlich nicht den maximalen Winkel erreichen. Der Winkelbereich ist größer als die Messungen während dieser Phase, falls Wiederkäuer durch unwegsames Gelände oder andere raue Umgebungen gehen. Obwohl uns die Amplitude des Seitenwinkelbereichs des Gelenks fehlt, wissen wir wirklich, dass der Bereich klein ist. Wir können also den Winkelbereich von reference configuration () in Tabelle 3 annehmen.,
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3. Result
Figure 4 shows that the forefoot of the goat can spread out and close freely., Sowohl Vorfuß als auch Hinterfuß von drei Ziegen wurden untersucht und zeigten ähnliche Fähigkeiten.
Wir könnten den Wert von Parametern und Winkelbegrenzung mit der Monte-Carlo-Methode in (3) und (4) einfügen. Der Arbeitsbereich von zwei zwei Zweigen kann in Abbildung 5 gezeichnet werden. Mit der Methode in beträgt das Arbeitsbereichsvolumen von Zweig I mm3.,
(a)
(b)
(a)
(b)
Abbildung 5 zeigt die grafische Darstellung des Arbeitsbereichs zweier Zweige, wenn sich die beiden Ziffern in der Swing-Phase befinden. Der Punktesatz definiert den verfügbaren Arbeitsbereich, den der Endeffektor der beiden Zweige unter Gelenkwinkelbeschränkungen erreichen kann. Jede Ziffer konnte Flexion-Extension und laterale Bewegungen individuell erreichen. Bei zwei Endpunkten der Ziffern, die im entsprechenden Arbeitsbereich während der Schwungphase gewählt werden, wird die Haltung des Fußes bestimmt, wenn diese beiden Ziffern auf den Boden treten.,
Der Einschleifenmechanismus (Abbildung 3) zeigt den Fuß, der das Gestein während der Haltephase passiv hält. Der Abstand zwischen zwei Endpunkten der Ziffern ist gleich dem zwischen zwei Fetlock-Verbindungen. Wiederkäuer könnten auch andere Gesteinsgrößen passiv halten, größer oder kleiner. Unter dieser Definition ist eine mögliche Konfiguration in Abbildung 6 dargestellt. Basierend auf der oben angegebenen Methode könnte der Arbeitsbereich des Mechanismus ähnlich bestimmt werden.,
Alle drei Mechanismen in Abbildung 3 und Abbildung 6 sind symmetrisch um-Achse und-achse, so dass der entsprechende Arbeitsbereich die gleiche Form und Größe hat, wenn die gleichen absoluten Werte der Orientierung gegeben (). Wir wählen die Werte von () des ersten Quadranten.
Wenn der Fuß unterschiedliche Gesteinsgröße hält (lassen Sie „großer Stein“ den Zustand darstellen , lassen Sie „großer Stein“ sein , lassen Sie „normaler Stein“ sein und lassen Sie „kleiner Stein“ sein), ändert sich der entsprechende Arbeitsbereich wie in Abbildung 7 gezeigt. Das Arbeitsraumvolumen ist bei viel größer als bei in unterschiedlichem Abstand zwischen zwei Ziffern., Die Erhöhung des Rollwinkels hat wenig Einfluss auf die Lautstärke des Arbeitsbereichs (Verringerung der Lautstärke). Der Arbeitsbereich des Haltens von „Small Rock“ at ist fast der gleiche wie der des Haltens von“ Big Rock „at , während der Arbeitsbereich des Haltens von“ Small Rock „at größer ist als der des Haltens von“ Big Rock “ at . Die Konfiguration des Haltens von „normal Rock“ at zeigt das größte Arbeitsbereichsvolumen an, und die Konfiguration des Haltens von „large Rock“ at hat das kleinste Arbeitsbereichsvolumen.,
4. Diskussion
Ziel dieser Studie ist es, mögliche Funktionen von Füßen bei großen Wiederkäuern anhand ähnlicher Strukturen zu untersuchen. Wir geben eine Methode, mit der die Funktionen aller großen Wiederkäuer untersucht werden können., Darüber hinaus hat der Berglebensraum von Gämsen Gradienten von Aspekt, Vegetation, Höhe, Tälern, Graten, Kanten und Bächen , die verschiedene Terrains enthalten. Der Fuß der Gämse ist irgendwie bei großen Wiederkäuern vertreten. So könnte das Ergebnis von Gämse uns einige allgemeine Funktionen des Fußes geben.
Aufgrund der Anatomie des Fußes (Abbildung 1) wirken die primäre Beugung und Streckung des Fußes wie ein kleines Glied mit parallelen Scharniergelenken; Die umgekehrten seitlichen Bewegungen (der 3.und 4. Zehenknochen bewegen sich in umgekehrter Richtung) bewirken, dass sich die Krallen ausbreiten und schließen (Abbildung 4)., Abbildung 5 zeigt den Bewegungsumfang der Fußspitze in der Schwungphase. Angesichts der Begrenzung der Gelenke kann der Fuß den Abstand zwischen zwei Hufen und den Drehwinkel (seitlich oder vorne hinten) einstellen, bevor der Fuß den Boden berührt. Während das Volumen des Arbeitsbereichs des Pferdes nur die Hälfte beträgt, haben die Huftiere eine flexiblere Bewegung, um die Haltung des Fußes zu wählen, indem sie die relative Position zwischen zwei Ziffern ändern. Verweise auf frühere Papiere haben beschrieben, wie das Vieh oder die Ziege durch das weiche Gelände geht ; Sie berühren den Boden mit herausgerissenen Krallen., Boden oder kleine steine sind eingebettet in interdigital spalte und geklemmt zu bieten mehr kontaktieren bereich, reibung winkel, und haftung, produzieren mehr antrieb, und reduzieren absenkung der fuß . Bei der Begegnung mit dem Felsboden kann ein Klauenfuß auch die scharfe Kante des Felsens passiv erfassen. Dies ist ähnlich wie ein Mensch einen Stock mit zwei Fingern greift, nur passiv. Ziegen und blaue Schafe neigen dazu, ihre Krallen auszuspritzen, wenn sie bergab gehen, um die Kontaktfläche zu vergrößern und den Schlupf zu vermeiden., Der Fuß kann den Abstand zwischen zwei Hufen anpassen, um sich an verschiedene Größen kleiner Steine oder Felsvorsprünge anzupassen. Darüber hinaus kann der Fuß, obwohl die seitlichen Bewegungen dieser Füße begrenzt sind, seitlich kippen, indem er zwei Ziffern manipuliert, um unterschiedliche Höhen zu erreichen. Diese Funktion verhindert das Umkippen der Wiederkäuer und verbessert die Stabilität an der Querneigung. Nur mit zwei Ziffern, die aus-und wiederkäuen können, können die Wiederkäuer diese Anpassungsfähigkeit erreichen.,
Nach passivem Halten eines Felsens oder anderer Ausbuchtungen können sich zwei Ziffern in dieser Phase nicht so geschickt und frei bewegen wie in der Swing-Phase. Der Arbeitsbereich in der Stance-Phase ist viel kleiner als der in der Swing-Phase (weniger als 1000 gegenüber mm3). Obwohl die Bewegung des Mechanismus innerhalb des Arbeitsbereichs in dieser Phase eingeschränkt ist, bleiben die DOF des Mechanismus 4 oder 5. Der Arbeitsbereich relativ zur Basis (die obere Platte des Mechanismus) ist wichtig, wenn eine Aufgabe für den Fuß geplant wird., Lassen Sie die Konfiguration des Grundrahmens in Bezug auf den Werkzeugrahmen (Abbildung 3) wie folgt aussehen:Aufgrund der starren Karosserietransformation ist der Arbeitsbereich der oberen Platte relativ zum Boden derselbe wie der oben berechnete. Der parallele Mechanismus könnte die Position des Karpalgelenks ändern (Abbildung 1), wenn die Endpunkte zweier Zweige des parallelen Mechanismus mit dem Boden fixiert sind., Es zeigt die Fähigkeit des Fußes, die Position des MCP und MTP (die Basisrahmen am oberen Glied in Abbildung 3) bei der gegebenen relativen Ausrichtung anzupassen, wenn die Spitze der Ziffer mit dem Boden fixiert ist. Das Volumen des Arbeitsbereichs kann als Maß für die Fußfertigkeit verwendet werden. Bei Wiederkäuern kann durch die Einstellung innerhalb des Fußbereichs ein geeigneter Halt gewählt werden, um die Ausrichtung der Extremität und des Körpers zu regulieren, auch wenn die Fußspitze fixiert ist. Diese Funktion des Fußes kann Wiederkäuern helfen, sich an unwegsames Gelände anzupassen und die Stabilität zu erhöhen., Abbildung 7 zeigt den Einfluss des Volumens des Arbeitsbereichs bei unterschiedlicher relativer Ausrichtung, wenn die Hufe unterschiedliche Größe des Objekts passiv und fest ohne relative Bewegung erfassen. Der Rollwinkel stellt die Bewegung der Beugung und Streckung des Fußes dar und der Neigungswinkel bezieht sich auf die seitliche Bewegung des Fußes. Wenn es keine seitlichen Bewegungen gibt, ist der Arbeitsbereich ziemlich groß; das heißt, der Fuß zeigt große Geschicklichkeit unter der primären Bewegung des Fußes (Flexion und Extension)., Aufgrund der begrenzten seitlichen Bewegungen der Ziffern nimmt das Volumen des Arbeitsbereichs nach Auftreten der seitlichen Bewegungen stark ab; das heißt, die Geschicklichkeit des Fußes wird in jedem Rollwinkel geschwächt . Der Fuß muss die Geschicklichkeit opfern, um die seitlichen Bewegungen zu erreichen.
Unterschiedliche Gesteinsgröße passiv zu halten hat Einfluss auf die Geschicklichkeit des Fußes. Der übermäßige Abstand zwischen zwei Ziffern (große Größe Rock, ) würde den Verlust der Geschicklichkeit entstehen bei ., Es ist, weil große Größe Felsen passiv halten muss die Ziffern öffnen, die bereits seitliche Bewegungen verursacht; das heißt, der anfängliche Gelenkwinkel von ist nicht Null (,). Dies belegt einen Teil der Winkelexkursion, um die Konfiguration beizubehalten. Dieser Nachteil der Besetzung Winkelausflug trägt auch zum Verlust der Geschicklichkeit bei, wenn kleine Größe Rock passiv halten () oder große Größe Rock () bei der Orientierung . Tatsächlich verursacht es fast den gleichen Verlust des Arbeitsbereichsvolumens. Im Vergleich zum Referenzabstand () bietet der größere Abstand () jedoch die größte Geschicklichkeit bei ., Tatsächlich, mit der vergrößerten Entfernung, die Geschicklichkeit augments (). Wenn also die seitlichen Bewegungen benötigt werden, wäre es die bessere Wahl, das größere Gestein passiv zu halten, um sowohl Stabilität als auch Geschicklichkeit zu erhalten.
5. Fazit
Daher können wir mehrere Funktionen des Fußes zur Anpassung an das Gelände zusammenfassen. Der Fuß könnte die relative Position zwischen zwei Ziffern ändern, um sich auszubreiten, oder kippen, um sich in der Schwungphase an die Neigung anzupassen. Die Ausrichtung des Fußes ist für die Bewegungsfunktion vorbereitet, dh einen Stein passiv in der Phase greifen., Passives Halten des Felsens könnte zusätzliche Fuß-Boden-Haftkraft bieten. Der einfache und ähnliche gespaltene Huf sorgt dafür, dass die Wiederkäuer etwas Geschicklichkeit haben, obwohl die Spitze des Hufes am Boden oder am Felsen befestigt ist. Sie können die richtige Größe des Gesteins wählen, um eine größere Geschicklichkeit bei der gewünschten Orientierung in dieser Phase zu erhalten. Diese Funktionen ermöglichen eine kohärente und stabile Bewegung.
Diese Funktionen werden mittels Kinematik auf der Grundlage der Schraubentheorie erarbeitet. Viele Ergebnisse, die in diesem Papier vorgestellt werden, werden durch die Daten von Chamois‘ Fuß unter bestimmten Einschränkungen veranschaulicht., Wir glauben, dass diese Funktionen eine Grundlage für die Geländeanpassung und die allgemeine Tatsache sind, die bei anderen Wiederkäuern zu finden ist. Basierend auf diesen gemeinsamen Funktionen wird die idioadaptive Entwicklung verschiedener Wiederkäuer mit ähnlichen Methoden nachgewiesen und die Bandbegrenzung in zukünftigen Arbeiten hinzugefügt. Verschiedene Wiederkäuerarten haben unterschiedliche Ziffernlänge, auch das Alter, das Geschlecht und die unterschiedliche Ziffer beeinflussen die Parameter von Knochenstrukturen., Der Unterschied in der Länge der Ziffern und dem Rotationsbereich der Gelenke kann einer der Gründe sein, warum sich Wiederkäuer an das unterschiedliche Gelände anpassen können. Die Geländeanpassungsfähigkeit des Fußes großer Wiederkäuer kann dazu beitragen, das Fußdesign eines anpassungsfähigen Roboters zu beeinflussen.
Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass bezüglich der Veröffentlichung dieses Papiers kein Interessenkonflikt besteht.
Acknowledgments
Die finanzielle Unterstützung aus dem National Basic Research Program of China (973-Programm), der National Science Foundation for Distinguished Young Scholar, China (Grant no., 51125020), der National Natural Science Foundation of China (Grant no. 51305009), and State Key Laboratory of Robotics and Systems (HIT) sind herzlich gedankt. Die Autoren möchten sich auch bei den Mitarbeitern von Beijing Badaling Safari World für die Hilfe beim Fotografieren von Ziegen bedanken.