Bionic Design and Simulation Analysis of Energy-Efficient and Vibration-Damping Walking Mechanism

节能减振步行机构的仿生设计及仿真分析

张锐¹,庞浩¹,何远^1,2,韩佃雷¹,文立阁³,江磊⁴,李建桥¹

（1. 吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,长春 130022;

2. 长春长光睿视光电技术有限责任公司,长春 130102;

3. 吉林大学 机械与航天工程学院,长春 130022;

4. 中国北方车辆研究所,北京 100072）

摘要：非洲鸵鸟能以60 km/h的速度持续奔跑30分钟,其后肢结构具有优良的节能、减振性能。为实现腿式机器人高效节能、缓冲减振的腿部机构的设计,根据鸵鸟跗骨间关节的被动回弹特性以及腿部的输出刚度可变特性,结合鸵鸟后肢结构的比例和尺寸,设计出了仿生刚-柔复合腿式机器人单腿结构。并且利用ADAMS软件模拟了仿生机械腿的运动。通过运动仿真分析,研究了内弹簧刚度系数在一定范围内的变化对机身质心垂直加速度以及电机功耗的影响,获得最佳的内弹簧刚度系数为200 N/mm,并进一步验证了内外弹簧机制能够有效地降低机械腿的能耗。仿真结果表明,采用内外弹簧机制能够有效降低电机约72.49%能耗。

关键词：工程仿生;仿生机械腿;被动回弹特性;刚-柔复合结构;节能减振

     

基于形态仿生的轿车升阻特性的数值模拟

受鱼类利用中央鳍/对鳍对流体介质产生扰动来增加运动稳定性的启发,本文在轿车尾部增加功能类似中央鳍/对鳍的扰流板,称之为方案一;针对其阻力增加,在方案一的基础上,在车后窗及汽车后备箱表面添加棱纹形态仿生功能表面,称之为方案二。利用数值模拟方法,对上述两种方案及原车模型在高速行驶状况下进行仿真分析,结果表明:方案一升力系数由原车的-0.06455降为-0.1516,后轮附着力增加,提高了轿车的操纵稳定性;方案二较好地梳理了尾部气流,延迟了气流的分离,与方案一比较,减阻率达到4.938%。     

Bioinspired Intervertebral Disc with Multidirectional Stiffness Prepared via Multimaterial Additive Manufacturing

Degenerative disc disease (DDD) has become a significant public health issue worldwide. This can result in loss of spinal function affecting patient health and quality of life. Artificial total disc replacement (A-TDR) is an effective approach for treating symptomatic DDD that compensates for lost functionality and helps patients perform daily activities. However, because current A-TDR devices lack the unique structure and material characteristics of natural intervertebral discs (IVDs), they fail to replicate the multidirectional stiffness needed to match physiological motions and characterize anisotropic behavior. It is still unclear how the multidirectional stiffness of the disc is affected by structural parameters and material characteristics. Herein, a bioinspired intervertebral disc (BIVD-L) based on a representative human lumbar segment is developed. The proposed BIVD-L reproduces the multidirectional stiffness needed for the most common physiological kinematic behaviors. The results demonstrate that the multidirectional stiffness of the BIVD-L can be regulated by structural and material parameters. The results of this research deepen knowledge of the biomechanical behavior of the human lumbar disc and may provide new inspirations for the design and fabrication of A-TDR devices for both engineering and functional applications.     

动态阻尼环境下多领导者群体机器人系统协同跟踪控制

研究了动态阻尼环境下具有多个领导者的群体机器人系统的协同跟踪问题,利用蚁群算法规则根据个体周围邻居的局部跟踪情况和领导者的需求信息确定自己的跟踪目标,实现了群体按照领导者需求分裂成不同大小的子群体进行跟踪的目的.提出了模糊自适应整定控制器参数的方法,使群体机器人系统克服环境中动态阻尼的影响,仿真结果验证了上述方法的有效...     

形态/柔性材料二元仿生耦合增效减阻功能表面的设计与试验

通过研究水生生物在流体介质运动中,皮肤可随着流体载荷的变化而发生动态变化,并与皮下组织特有的非光滑结构形成动态耦合,形成具有特定功能的表面的现象,并依据仿生学相似原理,提出一种形态/柔性材料二元耦合功能表面设计的新思想,称之为仿生耦合功能表面(BCFS),该功能表面由不同属性的双层材料构成,利用面层材料的弹性变形以及面层材料与基底材料表面上仿生非光滑结构的耦合,对流体进行主动控制,实现增效减阻功能。探索了将这种仿生耦合功能表面(BCFS)在典型流体机械-泵上面的实现方法,并以效率为目标,进行了仿生耦合功能表面增效减阻功能的试验,试验结果表明,采用这种耦合功能表面的仿生耦合水泵,效率提高了5%以上。     

激光焊接650MPa相变诱发塑性钢的组织与性能

采用固体Nd:YAG激光器焊接拉伸强度级别为650MPa、厚度为1.2mm的相变诱发塑性钢(TRIP)薄板,利用光学显微镜和电子显微镜研究了其不同焊接速度下对接焊缝的形貌和组织特点。测试了接头的硬度和抗拉强度,借助杯凸试验对比研究了激光焊接接头和母材的成形能力,并分析了焊接速度对接头组织、性能的影响。研究表明:TRIP钢的相组成主要是大量铁素体、贝氏体和少量的残余奥氏体;激光焊缝金属则主要由马氏体构成。焊缝金属或焊接热影响区的近缝区具有最高的硬度。焊缝金属的屈服强度和抗拉强度在垂直于焊缝方向与母材基本相同,但在平行于焊缝方向明显高于母材。与母材相比,激光焊接TRIP钢薄板的冲压成型能力明显下降。     

仿生凹坑与纳米碳化硅/镍基复合镀层耦合表面的磨损性能

为了探讨凹坑形态与纳米碳化硅/镍基复合镀层耦合表面的磨损性能,采用激光技术和电沉积技术制备了由凹坑形态和纳米碳化硅/镍基复合镀层构成的仿生耦合表面,并进行了摩擦和磨损试验。结果表明,仿生耦合表面的磨损性能高于单纯复合镀层的磨损性能;随着磨损载荷的增加和磨损时间的延长,试样表面磨损机制由以塑性磨损为主逐渐转变成以粘着磨损、磨粒磨损为主的磨损机制。     

基于神经网络和侧翻时间算法的轻型汽车侧翻预警

为实现车辆侧翻精确预警,建立了三自由度侧翻模型和基于侧翻时间(TTR)算法的侧翻预警算法。在此基础上引入仿生智能神经网络,提出基于多状态参量修正的NN-TTR侧翻预警算法。选取典型车辆状态参数组合对传统TTR进行修正分析,并利用Matlab/Simu-link与Carsim联合仿真平台对侧翻预警算法进行验证。结果表明,基于NN-TTR的轻型汽车侧翻预警算法能够有效提高侧翻预警精度,为主动防侧翻控制奠定良好基础。     

仿生挖掘机斗齿减阻试验

为了减小挖掘机斗齿的楔土阻力,提取了蝼蛄前足爪趾的构型,在JL80型斗齿的基础上进行了仿生斗齿设计。采用快速成型加工技术加工了仿生斗齿与JL80型斗齿试样。利用试验机对两种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。运用有限元分析软件对仿生斗齿和JL80斗齿的楔入过程进行了数值模拟。结果表明,在同样条件下仿生斗齿的楔入阻力较JL80型斗齿低11%。本文设计的仿生斗齿可以为挖掘机斗齿的优化设计提供参考。