基于蜻蜓翅脉结构的连续碳纤维增强树脂基复合材料仿生设计与增材制造

以具有轻质高强优异性能的蜻蜓翅脉结构为设计灵感，在分析翅脉网格结构抗冲击原理的基础上，设计了传统和仿生两类对比结构。采用熔融挤出3D打印机成功制备了具有不同结构的连续碳纤维增强聚乳酸复合材料试样，并对不同结构复合材料试样的拉伸性能和抗冲击性能进行了测试和对比分析。研究分析结果表明：由于拉伸力方向上的连续碳纤维含量相对较少，限制了仿生结构复合材料抗拉强度的提高，但仿生结构的平均抗拉强度为传统结构的1.18倍；当仿生结构复合材料试样受到冲击力时，其内部六边形结构的连接角度会发生变化，从而极大消耗冲击能量，同时具有六边形网格结构的连续碳纤维可以有效阻碍裂纹的扩展，因此仿生结构的平均冲击韧性可以达到传统结构的2.46倍；仿生蜻蜓翅脉结构可以显著提高增材制造复合材料的综合力学性能，且对于抗冲击性能的提高具体突出效果。连续碳纤维增强树脂基复合材料的有效可行的仿生蜻蜓翅脉结构设计和增材制造，可极大扩展其在高冲击载荷领域中的相应应用。     

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

     

磁悬浮列车造型仿生设计研究

以仿生设计的理论为基础来指导磁悬浮列车造型设计,以期为列车车型概念提供灵感,提高列车造型品质,并满足车体气动性能的基本要求。首先,通过文献研究归纳了国内外以磁悬浮列车为主的轨道列车造型仿生的研究动向;其次,通过案例研究解析典型仿生设计系列车型案例,探究列车仿生对象的应用形式;再次,综合仿生设计与轨道列车设计的方法要素,构建磁悬浮列车仿生设计的一般程序,并基于车体线性趋势的仿生规律,以平鳍旗鱼为仿生对象,设计具有仿生特征的磁悬浮列车概念性设计造型方案;最后,通过初步的仿真模拟,得到该方案的空气阻力系数。通过将本方案与相关案例数据的对比,证明运用仿生设计可以满足磁悬浮列车造型对美学价值和气动性能的要求。     

胸鳍摆动推进仿生鱼的设计及水动力实验

为实现胸鳍摆动推进模式鱼类的游动,模仿牛鼻鲼构建了仿生鱼.首先,基于摆动胸鳍的生物学特征和运动规律,提出了具有主/被动复合柔性变形能力的仿生胸鳍原理模型.然后通过ADAMS运动学仿真验证了设计方案的可行性,并构建仿生样机.自由游动实验表明,仿生鱼游速可达0.46m/s,约1倍身长比,且具有原地转弯能力,最大转弯速度达60?/s.与国内外其他同类机器鱼相比,在游速和机动性方面均表现出明显的优势.基于准稳态叶素理论,提出了仿生胸鳍水动力简化计算模型.构建水动力实验平台,验证了计算模型的有效性,并通过一系列水动力实验研究了仿生胸鳍的水动力特性.实验结果表明,仿生胸鳍能够产生周期性变化的推、升力,且变化趋势与胸鳍运动控制参数密切相关.     

基于移动机器人的主动嗅觉技术研究

使用移动机器人来定位气味源已经成为一个研究热点,机器人主动嗅觉是指使用机器人自主发现并跟踪烟羽,最终确定气味源所在位置的技术。本文对当前主动嗅觉技术进行概述,并根据生物嗅觉行为介绍一种气味源定位算法,这种算法不依赖某一点气味浓度值,仅依靠气味浓度变化率就可找到气味源。并在高斯模型下对烟羽分布模型进行仿真。     

下肢康复机器人的研究进展与临床应用

社会老龄化进程中,由于疾病或事故导致下肢受损的患者越来越多,患者的运动能力康复变得尤为重要.相对于传统的物理康复治疗方法,利用下肢康复机器人进行运功功能康复训练可以准确评估、大幅改善康复效果,提高康复效率,节约医疗康复资源.作为一种涉及康复医学、机械学、控制学、机器人学、计算机学及人工智能等诸多学科的智能仿生机电设备,下肢康复机器人按照患者的康复作业姿态主要分为坐卧式下肢康复机器人和站立式下肢康复机器人.其中坐卧式下肢康复机器人可以分为脚踏板式和外骨骼式机器人,站立式下肢康复机器人分为悬挂减重式和独立可穿戴式机器人.本文调研了国际上应用较为广泛的几类下肢康复机器人的代表性产品,详细分析了下肢康复机器人的主被动自由度、驱动方式、传动关节、感知技术、运动控制策略和训练模式等关键技术,并对各类机器人典型临床测试案例进行了比较和探讨,对下肢康复机器人未来的技术发展做出展望.     

一种六足仿生巡检机器人的设计与实现

六足仿生机器人因其灵活度好、可靠性高、适应性强等特点而得到广泛应用;针对六足仿生巡检机器人,从结构设计、步态规划、系统仿真和实物构建等方面,探索一般意义上系统设计和实现方法;首先设计了六足仿生机器人的多关节机械结构,并给出了此类系统的量化建模方法;然后采用了重心随动的三角步态规划方法,对系统稳定性和典型步态规划进行了量化分析;在此基础上基于标准D-H参数法建立了机器人的运动学模型,并且通过仿真实现了六足机器人向前纵向行走和向右横向行走的直线平稳运动;最后通过六足仿生巡检机器人实物测试,验证了所设计的结构和步态规划方法的可行性和有效性。     

面向数字舞台表演的海龟机器人系统研制

针对所创作的机器人戏剧剧本,研制一套用于数字舞台表演的大型海龟机器人系统.该机器人由机械系统和控制系统组成,机械部分由4条3DOF模块化轻型腿、一套具有连续曲率的柔性脖子、龟壳开合装置和碳纤维框架组成,所有电机、电路板等机电部件安装于躯干中,通过同步带将电机的运动传递到外端,降低了悬臂部分的尺寸和质量,减轻了电机的负载.系统的控制部分由上位机及嵌入式控制器组成,分别提供顶层的人机交互和底层的关节实时控制功能.采用重心自调整的方法规划运动步态,确保多足运动的稳定性.经大量实验,研制、开发了样机,完成了机器人戏剧的公演,所研制的机器人可以完美地演绎戏剧角色,外形美观,惹人喜爱,表演效果极佳.     

Improved Computational Model of Grid Cells Based on Column Structure

To simulate the firing pattern of biological grid cells, this paper presents an improved computational model of grid cells based on column structure. In this model, the displacement along different directions is processed by modulus operation, and the obtained remainder is associated with firing rate of grid cell. Compared with the original model, the improved parts include that: the base of modulus operation is changed, and the firing rate in firing field is encoded by Gaussian-like function. Simulation validates that the firing pattern generated by the improved computational model is more consistent with biological characteristic than original model. Besides, the firing pattern is badly influenced by the cumulative positioning error, but the computational model can also generate the regularly hexagonal firing pattern when the real-time positioning results are modified.     

离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

目的 通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻，并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法 研究利用仿真模拟的方法，采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征，考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律，通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果 在3种微结构形态中，流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中，矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化，而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果，且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论 叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻，其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度，使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀，且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度，减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低摩擦阻力。