陆地运载系统作为人类日常生活和工作中不可或缺的运输工具,在交通、探险、国防和救灾等领域具有至关重要的作用。但是,在山地丛林、灾难现场等大坡度复杂路面上常规运载系统无法通行。而腿足式运载系统的发展为复杂路面稳定行走提供了有力的保障,腿足式运载系统主要以四足运载系统为主。四足运载系统主要通过模仿自然界中四足动物的肢体结构和运动模式,将其应用于运载系统的研制中,以提高其复杂地面通过性和恶劣环境的适应性。而现有的四足运载系统不具备在30°以上的斜坡上稳定爬行的能力,无法在陡峭的山地行走。除因动力及机械设计等原因外,也与其仿生蓝本如犬和猎豹等动物本身均不具备优越的攀爬性能有关。而生活在喜马拉雅山的岩羊与其他动物相比具有优越的攀爬性能,为研制具有优越攀爬性能的四足运载系统提供了优异的仿生蓝本。因此本文以岩羊为仿生蓝本,通过对岩羊的骨骼结构特性、运动学特性、运动力学特性进行分析,解析岩羊的登山运动机理;通过岩羊蹄部的材料、结构和机械特性,分析岩羊蹄触地稳定性;将运动学、运动力学、仿生学和机械设计相结合设计了仿生防滑蹄和仿生腿足,并对仿生防滑蹄的防滑性能进行了测试,在此基础上对仿生腿足的参数进行试验优化。主要研究内容和结论如下:1)对岩羊登山运动的步态特性和关节角运动特性进行分析。通过三维运动捕捉系统获取运动学数据,分析了岩羊在不同坡度斜坡上行走时的运动学特性。结果表明岩羊在平地行走时的步态周期最长,在5°～15°的小坡度上,步态周期随着坡度的增加而增加,在20°～35°的大坡度上,步态周期随着坡度的增加整体呈减小趋势。同时,步长随着坡度的增加而减小。在5°～15°的坡度上步速随着坡度的增加而减小,在20°的坡度上跃升到0.33m/s,之后随坡度的增加逐渐减小。随着坡度的增加步态的对称性下降。前肢肘关节和腕关节除在35°斜坡上外,在其余各坡度上离地后到再次触地之间角度的变化趋势一致,同时后肢膝关节和踝关节在所有坡度上的离地后到再次触地之间角度的变化趋势一致,腕关节、指骨关节、踝关节和跖趾关节角度的变化趋势基本不受坡度变化的影响。2)对岩羊在各坡度上行走时的岩羊垂直地反力进行研究。采用压力板系统获取岩羊登山运动的垂直地反力,分析岩羊前后蹄之间垂直地反力的差异和左右蹄之间垂直地反力的对称关系。本文将岩羊蹄分为四个象限,分析垂直地反力在四个象限内的分布以及转移规律。结果表明,在平地行走时,岩羊前、后蹄左右两侧的垂直地反力峰值和垂直冲量的对称性指数均在99%以上,随着坡度的增加对称性下降。在平地行走时岩羊前肢承受更大的垂直地反力和垂直冲量,随着坡度的增大前肢所承受垂直地反力的比例逐渐减小。各个坡度上的运动过程中,垂直坡面反力均从尾外侧象限经尾内侧象限或颅外侧象限向颅内侧象限转移。随着坡度的增加,前蹄的主受力象限从尾内象限转移到颅内象限。后蹄的主要受力象限为颅内象限且不随坡度的变化而改变。3)对岩羊蹄部的触地被动稳定性进行了研究。使用扫描电子显微镜、红外光谱和纳米压痕等技术组合来表征岩羊蹄的表面形态、断面结构、材料组成和力学性能,并研究它们对被动接触稳定性的影响;最后通过有限元分析对表面形态和断面结构对防滑和缓冲的作用进行了仿真分析。结果表明岩羊蹄表面分布有平直片层单元、回形片层单元和纵向条纹三种微观形态。这些形态可以增加岩羊蹄与地面或岩石之间的摩擦特性起到防滑的作用。岩羊蹄匣主要由角蛋白组成,最外层矿化程度高,其材料组成可以提高断裂韧性和机械刚性。同时岩羊蹄匣包含硬-软-硬-软的四层耦合结构可以有效缓释岩羊蹄部与岩石接触冲击,提高接触稳定性。4)在分析岩羊蹄部生物力学特征的基础上,基于张拉整体结构设计制作了仿生防滑蹄,并对其进行运动学建模。结合正运动学分析得出了仿生防滑蹄在给定关节角时蹄的位置和姿态,通过逆运动学获取了在足端位置和姿态给定时蹄部各关节的关节角,最后通过MATLAB仿真验证了运动学模型的准确性。5)基于岩羊后肢的骨骼肌肉结构设计制作了仿生腿足,搭建了仿生蹄防滑性能测试平台对防滑性能进行了测试。对仿生防滑蹄的柔性蹄底的硬度和模拟韧带的弹性系数的取值范围进行了试验设计与优化,得到了柔性蹄底的硬度及模拟韧带的弹性系数与防滑性能指标的回归方程,解析了仿生防滑蹄柔性蹄底的硬度及模拟韧带的弹性系数对防滑效果的影响与作用。本文分析了岩羊在不同坡度上的运动学数据及其运动控制策略,解析了各肢体的运动规律。研究了岩羊蹄部垂直地反力的分布及转移规律,为运载系统的动力输出提供参考依据。在此基础上,研究了岩羊蹄趾的被动稳定性,并设计制作仿生腿足,进行了防滑性能测试,揭示了柔性蹄底的硬度和模拟韧带的弹性系数对防滑性能的作用机理,相关研究结论为开发具有优越攀爬性能的四足运载系统提供了重要的生物力学基础和设计技术依据。