山羊蹄底部非规则曲面仿生形貌数学模型构建及验证

摘要

山羊蹄底部非规则曲面形貌是影响山羊在崎岖路面稳定行走的关键因素之一,研究山羊蹄底部曲面特征将有助于将其这一优越特征应用到仿山羊农业四足行走机器人上,以解决目前农业四足行走机器人在崎岖地面上行走稳定性差的难题.该研究选取6个月的雄性波尔山羊蹄,采用三维立体扫描仪获取山羊蹄点云数据,并导入Geomagic Studio软件中进行点云去噪声、采样、封装、表面处理,得出山羊蹄的精确曲面,进行曲面偏差分析,最后根据山羊蹄偶型结构把山羊蹄底部曲面划分为2部分,利用Catia软件中的Digitized Shape Editor模块,对2个曲面的密集点云进行过滤,保留曲面形貌的特征点,并导出2个区域特征点云三维坐标数据.运用Matlab软件中的cftool工具箱对特征曲面的点云三维坐标数据进行3次多项式拟合,分别得到2个曲面的拟合方程、残差平方(SSE)、均方差(RMSE)和决定系数R2,研究结果表明:山羊蹄曲面标准偏差为1.4022 mm,山羊蹄底部左侧曲面拟合残差平方(SSE)是359,均方差(RMSE)是0.7929,决定系数(R2)是0.9889;山羊蹄底部右侧曲面拟合残差平方(SSE)是256.2,均方差(RMSE)是0.7253,决定系数(R2)是0.9879.对构建的数学模型进行验证发现,模型的拟合值与实际值的相对误差最大值分别为8.63％和9.58％,相对误差均值分别为4.32％和4.73％,相对误差均值能满足工程设计允许的误差范围±5％,验证了模型的有效性,实现了山羊蹄底部非规则曲面由生物模型到数学模型的转化.该研究为将山羊蹄底部曲面形貌进行仿生学应用奠定了理论基础,并为利用仿生学技术研究农业四足行走机器人提供参考依据.