鸵鸟足运动系统有限元建模及其生物力学功能分析

【摘要】鸵鸟是世界上现存唯一的一种足部仅存二趾且跖趾关节永久提升的鸟类，它在沙漠和草原环境中具有高速和持久奔跑的运动性能。鸵鸟足由骨骼、关节软骨、韧带和软组织等组成，它是不含肌肉的轻量化结构。本文从生物力学原理出发，结合解剖学实验，采用医学影像数据采集、逆向工程和有限元分析技术建立了鸵鸟足运动系统复合模型，并利用生物力学实验对模型进行了验证；通过有限元方法，计算分析了鸵鸟足静态站立和动态冲击状态下骨骼、软骨及软组织的应力分布特点，探究了鸵鸟足重载减震机理，为仿生机械设计、越沙车辆、二足机器人、人工假肢技术、沙漠探险、月球车行走系统等松软地面行走装备的仿生研究和设计提供重要的理论依据。采用大体解剖学理论和方法，确定了鸵鸟足骨骼、软骨、韧带及肌腱的具体分布位置及解剖结构特点。研究了鸵鸟足重载减震高速运动及沙地环境活动与足部结构构造之间的关系，研究发现，鸵鸟足以骨骼为框架，包含9块趾节骨和1块跗跖骨，第Ⅳ趾的长度为第Ⅲ趾的一半，第Ⅲ趾承担身体大部分重量，第Ⅳ趾起维持平衡的作用。足底脂肪垫保护足趾且具有吸能、减震和隔热功能，提升的跖趾关节使足底后侧形成中拱结构，减少了抓地面积且可吸收冲击及储存能量。采用形态计量学方法，测量了鸵鸟足解剖前、后各组成部位的特征尺寸。运用万能试验机对鸵鸟足跗跖骨材料进行了压缩破坏实验，得出密质骨的极限载荷、抗压强度和弹性模量分别为1.62±0.20KN、0.30±0.06KN和183.91±14.87MPa，密质骨的极限载荷、抗压强度和弹性模量分别为松质骨的5.4倍、8.1倍及2.0倍。结果表明，密质骨为主要的承压组织结构。利用现代医学诊断设备，采集了平稳站立条件下鸵鸟足的CT和MRI医学影像数据。基于医学图像处理和逆向工程技术，建立了鸵鸟足运动系统三维实体复合模型，该模型包括10块骨骼、18块关节软骨、足底软组织和75根用来模拟韧带的桁架。对3组不同载荷下的模型进行仿真计算，同时结合足底压力测试系统和动态影像解析系统对离体鸵鸟足进行了足压实验。对比分析表明，试验所得鸵鸟足在站立姿态下足底曲面压力分布与有限元模拟结果趋势基本一致，验证了鸵鸟足复合计算模型是有效的。采用鸵鸟足运动系统复合模型，对鸵鸟足静态站立和动态冲击过程进行了数值仿真计算。计算结果表明，当鸵鸟静态平稳站立时，骨骼的等效应力最大，关节软骨次之，足底软组织较小；跖趾关节后侧受力最大，它的特殊结构相当于一个“缓冲器”和“转向器”，保护了足部结构。对于足趾部分，第Ⅲ趾应力比第Ⅳ趾大，为主要的承重部位，且趾骨体明显大于趾骨头和趾骨底的应力，内侧明显大于外侧的应力，背侧大于跖侧的应力。趾节骨上的最大等效应力、接触应力峰值均从近端到远端逐渐降低。最大足底应力出现在第Ⅲ趾后部外侧位置，第Ⅲ趾前部内侧次之。当鸵鸟足底受到外加瞬间速度荷载时，足底的软组织借助自身结构和易产生形变的特点，有效地对冲击力进行吸收和隔断，起到了吸能减震的作用。
【作者】曾桂银；
【导师】张锐；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】鸵鸟足运动系统；大体解剖学；三维复合模型；重载减震机理；有限元模拟；

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