仿生机器蟹的模型建立及优化

在对河蟹腿结构观察和测量的基础上，通过对原始观察数据分析建立了简化的仿生机器蟹腿结构，确定了仿生机器蟹步行机构的初始结构参数，利用仿真软件建立系统的仿真模型，对初始结构参数做了进一步优化，优化结果对仿生机器蟹结构设计起到重要的指导作用。     

基于血液供给条件和力学环境的骨折愈合仿真

为了模拟和预测肌体组织复杂的再生修复过程,提出基于力学环境和血液供给条件建立骨折愈合仿真模型.针对骨折固定的力学条件和生物学因素,用一种时间动态模型模拟二期骨折愈合阶段的机械稳定性、血管再生和组织分化之间复杂的作用关系.与以往模型不同,本研究建立骨折的三维几何模型,通过有限元法计算骨痂局部力刺激,并与模糊逻辑相结合,将血液浓度作为时-空状态变量引入到模型中,描述骨痂力学及组织分化过程.通过前进欧拉法进行组织浓度等时间步长的迭代更新,在Visual Studio 2012环境下实现愈合进程模拟.最后,利用仿真模型预测稳定与不稳定环境下骨间动度随骨折愈合时间的变化情况,并将仿真结果数据与实验数据进行对比,结果表明,仿真结果与实验数据在趋势和数值上都有较好的吻合,仿真结果数据全部分布在实验数据平均偏差范围内.该结果验证了骨折愈合模型的精确性以及在模拟骨折愈合过程方面的优势.     

仿生机器蟹步行腿结构设计及运动学、动力学分析

仿生机器蟹是一种采用微型直流伺服电机驱动的仿生步行机器人，本文详细介绍了机器蟹步行腿设计及其运动学分析、动力学分析。在对仿生机器蟹运动学特性分析的基础上得出优化结构参数，并应用于实际系统设计。同时利用先进的动力学仿真软件建立了仿生机器蟹三维仿真模型，仿真结果验证了运动学和动力学数学建模的正确性，及结构设计的可行性。     

仿生机器蟹运动系统能量分析

对仿生机器蟹行走过程中关节能量进行分析,目的是决定系统性能和在系统运动过程中的运动变量的最优选择。这些运动变量主要包括步态、占空系数、躯体高度、步长、最大的抬腿高度等。定义了平均功率、平均功率偏差、平均驱动力矩3个指标,用于定量地衡量仿生机器蟹行走过程中关节能量的变化。依据指标设计了一系列的试验,得到了运动参数与关节能量之间的关系及运动参数选取的参考数据。     

基于多尺度方法的蜂窝夹层复合材料结构轴向压缩稳定性

为有效预测蜂窝夹层复合材料结构压缩失稳载荷和破坏模式,本文基于层压板宏细观多尺度数值分析模型,研究蜂窝夹层复合材料结构在轴向压缩载荷下的屈曲稳定性。基于改进的通用单胞理论模型,并结合ABAQUS用户自定义子程序接口,建立蜂窝夹层复合材料结构宏细观数值模型,预报蜂窝夹层复合材料结构失效载荷和破坏模式,并与试验结果对照,验证了模型的有效性。结果表明:通过本文建立的数值模型可以有效预测蜂窝夹层复合材料结构在压缩载荷下的失稳载荷和破坏模式,其一阶失稳载荷为128.12 kN,与试验结果误差为4.58%,蜂窝夹层复合材料结构破坏模式为先发生屈曲失稳,然后迅速破坏。      

基于DSP的仿生机器蟹多关节控制系统的实现

针对微小型步行机器人对控制系统的性能要求,介绍了一种可用于步行机器人多关节驱动的控制系统的设计。该系统以仿生机器蟹为设计对象,采用DSP作为核心控制器。提出了多层多目标分布式递阶控制系统的设计方案,并介绍了仿生机器蟹单步行足的软、硬件设计方法。     

非均匀各向异性骨建模

为了建立针对专门患者的精确骨生物力学模型,研究通过在骨生物力学模型中引入非均匀各向异性特性来提高骨的精确性,同时通过建立患者医学影像信息和生物力学参数之间的关系,使所建立的骨的生物力学特性模型更加个性化.最后利用有限元方法对所建立的非均匀各向异性骨生物力学模型进行解算.比较有限元仿真计算结果和相应的生物力学实验数据,结果显示二者在趋势和数值方面吻合度很好,同时将相同条件下非均匀各向异性有限元仿真结果和均匀各向同性仿真模型分别与生物力学实验数据做比较,结果表明非均匀各向异性骨模型与生物力学实验结果间误差更小,基于医学影像信息非均匀各向异性骨模型比均匀各向同性骨模型精确性更高,并且能有效体现专门患者骨的力学特性.     

A novel progress of leg tissue properties modeling based on biomechanics

To describe strategies for addressing technical aspects of computational modeling of leg tissue with the finite element (FE) method,a patient’s leg sample was selected and scanned by CT at the direction parallel to the Frankfort Horizontal plane. A three-dimensional (3D) finite element model of the human leg was developed using the actual geometry of the leg skeleton and soft tissues, which were obtained from 3D reconstruction of CT images. All joints were defined as contact surfaces, which allow relative articulating movement. The major ligaments were simulated using tension-only truss elements by connecting the corresponding attachment points on the bone surfaces. The bony and ligamentous structures were embedded in a volume of soft tissues. The muscles were defined as non-linear viscoelastic material, and the skin, ligaments and tendons were defined as hyperelastic, while the bony structures were assumed to be linearly elastic. The multilayer FEM model containing thighbone, tibia, fibula, kneecap, soft tissue was formed after meshing. Diverse forces were imposed on the FEM model. The results show that the multilayer FEM model can represent tissue deformation more accurately.     

股骨假体结构与材料性能分析及多目标优化

为依据患者个体信息获得优选的假体结构及假体材料,利用患者CT体数据集提取股骨内外轮廓线,并通过三维建模软件分别获得股骨和假体模型,对股骨和假体进行虚拟装配,通过力学计算得到最优股骨假体结构模型,利用有限元分析方法获得股骨假体额定载荷、疲劳寿命、应力遮挡率、最大变形量,依据模糊物元分析方法实现多目标优化设计,最终获得最优球头和假体柄材料匹配模型.将该方法应用于优选实例,结果表明:依据专门患者CT图像,通过完整的优选流程后,确定出最优假体结构为椭球形球头和定制式假体柄组合,最优材料匹配方案为碳纤维增强的聚醚酮复合材料球头和锆铌合金材料假体柄匹配方案.该方法为股骨假体的优选提供了有效参考.     

电机驱动型两栖仿生机器蟹步行腿研究

针对仿生机器蟹的结构特性及其微型伺服电机的功能特性设计需要,在对仿生机械运动学特性分析的基础上,给出了一种采用微型直流伺服电机驱动的仿生机器蟹步行腿设计,得出了优化结构参数,并应用实际系统设计;同时给出了基于三闭环控制框架的关节电机驱动控制方法．提出了多关节驱动系统控制结构。通过计算分析验证了结构的合理性和控制的可行性。