Dynamic model and performance analysis of landing buffer for bionic locust mechanism

The landing buffer is an important problem in the research on bionic locust jumping robots, and the differ-ent modes of landing and buffering can affect the dynamic performance of the buffering process significantly. Based on an experimental observation, the different modes of landing and buffering are determined, which include the different numbers of landing legs and different motion modes of legs in the buffering process. Then a bionic locust mechanism is established, and the springs are used to replace the leg muscles to achieve a buffering effect. To reveal the dynamic performance in the buffering process of the bionic locust mechanism, a dynamic model is established with different modes of landing and buffering. In particular, to analyze the buffering process conveniently, an equivalent vibration dynamic model of the bionic locust mechanism is proposed. Given the support forces of the ground to the leg links, which can be obtained from the dynamic model, the spring forces of the legs and the impact resistance of each leg are the important parameters affecting buffering performance, and evaluation principles for buffering performance are proposed according to the aforementioned parameters. Based on the dynamic model and these evaluation principles, the buffer-ing performances are analyzed and compared in different modes of landing and buffering on a horizontal plane and an inclined plane. The results show that the mechanism with the ends of the legs sliding can obtain a better dynamic per-formance. This study offers primary theories for buffering dynamics and an evaluation of landing buffer performance, and it establishes a theoretical basis for studies and engineer-ing applications.     

仿鸡脖子刚柔耦合结构的仿生机理及大变形建模

观察表明,禽类颈部普遍具有刚柔耦合的特点,在运动过程中,可以辅助身体运动,使得头部产生大变形.在机器人、航空航天等领域普遍需要具有大变形、变刚度等特征的结构实现相关功能.受禽类脖子结构的启发,提出了一种仿鸡脖子刚柔耦合结构,阐明仿鸡脖子的仿生机理并建立大变形模型.首先,从鸡颈部的生物解剖出发,发现仿鸡脖子结构势必具有多自由度刚柔耦合的特征,因此,根据鸡脖子骨骼的构型构造出单节仿生标准单元,根据肌肉的连接方式厘清节间弹性连接,建立起仿鸡脖子刚柔耦合结构的力学模型;然后,通过定义连接矩阵描述节间弹性元件的分布和作用,由此得到任意运动下的标准单元的力平衡方程;最后,选取了几种具有代表性的工况,通过有限元分析验证理论建模方法的准确性并展示结构的非线性变刚度特征;在4种典型平面弯曲工况下得到不同变形与发力肌肉群的对应关系.文章提出的仿鸡脖子刚柔耦合结构建模具有仿生机理清晰、适合大变形计算及结构具有非线性刚度特征等特点,也解释了禽类颈部变形机理.     

单足机器人周期跳跃控制的虚拟约束方法

 研究单足机器人周期跳跃控制问题．弹簧支撑倒立摆模型可以比较准确地描述动物的跳跃行为,但无控制的自然跳跃抗干扰能力较差,一般采用轨迹跟踪控制方法实现单足机器人周期跳跃．当系统存在比较大的误差时,传统的时间轨迹跟踪控制方法存在明显的不足．引入虚拟约束技术,采用基于空间路径跟踪的控制方法可以克服时间轨迹跟踪的不足．采用点足机器人模型,并通过控制腿伸缩的方式为系统提供动力,将跳跃过程分为地面摆动和腾空飞行两个阶段,并通过起飞和着陆两个事件完成两个阶段之间的转换,整个系统模型属于欠驱动非光滑动力学系统．根据简化的动力学方程获得系统的虚拟约束解析表达式,并采用部分反馈线性化方法结合PD 控制设计系统的控制律．分析了系统的混合零动力学方程,并证明了闭环系统的临界稳定性．仿真结果表明,提出的控制方法可以实现单足机器人的周期跳跃控制,并且对外部干扰具有较强的鲁棒性．     

柔性长鳍波动推进动力学分析

以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景,研究了“尼罗河魔鬼”柔性长鳍的波动推进动力学原理．首先基于鳍条正弦摆动的假设,建立了鳍面波动曲面模型,然后根据抗体理论的基本思想及修正后的流体假设分析了柔性长鳍波动的推力产生机理,并获得其动力学模型,最后通过仿真手段,得到了试验模型的仿生柔性长鳍鳍面波动引起的流体动力及力矩公式,为仿生水下机器人的动力学分析和控制系统设计提供了理论依据．     

Optimization of the take-off movement of ski jumping with the method of mathematical programming

This paper is based on the finite and dispersed data which were obtained from the experiments of the wind tunnel and of the force measurement and from the high-speed photography. It analyses and optimizes the take-off movement of ski jumping with the theory of dynamics of systems of rigid bodies and with the method of mathematical programming. The paper describes the optimal take-off movement of ski jumping. Furthermore, it presents an example and compares the result with those of other papers published at home and abroad. The comparison shows that our computation and optimization are reasonable and well-grounded.     

柔性双尾鳍效率的测量和优化

建立了仿生拍动推进推力和效率的测量平台,通过电机的转动扭矩、转动角速度及推进力计算得到仿生推进系统的推进效率.对本课题组研制的组合仿生无人水下航行器中柔性双尾鳍模型进行了测量与分析,结果表明柔性尾鳍推进时小摆幅摆动运动效率要高于大摆幅运动;双尾鳍推进方式在小摆幅模式下无论在推进力还是在效率方面都要优于单尾鳍.最后根据模型实验数据,优化了双尾鳍推进的运动参数,并用于优化UUV性能.     

关于飞行和游动的生物力学研究

论述了飞行和游动生物力学的任务和意义,以及重大科学问题和与仿生技术相关的重大需求,并概要地介绍了与生物外部流体力学有关的科学问题、研究现状以及我国现有的研究基础和特色.文中针对如下若干重点科学问题进行了论述,具体包括Gray疑题及鱼类阻力的测定问题、鱼类机动运动的特征和机理、鱼类游动的流-固耦合及整体模化等交叉问题、昆虫运动的非定常流动控制机理和能耗、昆虫翼的柔性变形效应及抗风机制、昆虫和鱼的自由运动的运动学和动力学测量.图0参72      

基于LuGre摩擦模型的接触约束法旋转柔性梁斜碰撞研究

基于接触约束法和LuGre摩擦模型对在重力场作用下作大范围旋转运动的柔性梁系统和斜坡发生含摩擦斜碰撞的动力学问题进行研究. 首先运用刚柔耦合的多体系统动力学理论对大范围运动的柔性梁进行离散化和动力学建模, 在碰撞时采用冲量动量法求出跳跃速度, 其次在法向上引入接触约束求解出碰撞力, 在切向上采用LuGre摩擦模型分两种方式求解摩擦力, 第一种是在滑动时摩擦力由摩擦系数和碰撞力计算得出, 黏滞状态下引入切向约束计算拉格朗日乘子反应实际摩擦力, 根据黏滞/滑动切换判断计算出碰撞过程摩擦力(与Coulomb摩擦模型计算摩擦力一致); 第二种根据LuGre摩擦模型摩擦系数和法向碰撞力计算其摩擦力, 从而在碰撞时无需黏滞/滑动切换, 采用相同的摩擦力计算公式. 通过与Coulomb摩擦模型对比发现, LuGre摩擦模型描述碰撞切向摩擦过程更精确, LuGre摩擦模型黏滞时建立约束方程和碰撞采用统一的摩擦力公式这两种建模方式描述的斜碰撞动力学特性没有区别, 进而说明采用法向接触约束和LuGre摩擦模型具有满足碰撞非嵌入情况、避免黏滞/滑动切换、描述摩擦力相对准确的优势.      

动物进化的抗冲击策略及其仿生机理研究

经过长期的自然选择,自然界中的动物已经进化出各种各样高效的、可靠的、适应性强的抗冲击策略和机体防护机制,抵抗来自周围复杂环境的碰撞和冲击载荷,保护生物外部结构和内部器官在进行激烈生物活动时不受伤害.相比传统工程防护结构,这些天然的生物防御系统具有优异的抗冲击特性、高效的能量耗散效率以及可重复使用等特征.因此,近年来,关...     

机器人单足系统沙土跳跃刚?散耦合动力学分析

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题, 因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型, 从而优化其系统构型. 近年来, 对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注. 本文采用离散元法对颗粒场进行建模, 以及采用多体动力学方法对机械系统进行建模, 对机器人单足系统在沙土上的跳跃问题进行耦合动力学仿真分析. 基于经典土力学Prandtl-Reissne理论, 从颗粒场受压分层的形式和动量传递出发, 对描述颗粒侵入阻力的惯性力动阻力项进行了修正, 提出了一种修正的Poncelet公式. 通过与离散元仿真结果对比, 说明所提出修正公式比原始的Poncelet公式更准确地计算了机械足受到的沙土侵入阻力, 尤其在达到一定侵入深度表现出更好的收敛性. 最后分析了机械腿足部的不同尺寸和形状对沙土中跳跃效果的影响, 给出了锥形足部和柱形足部的体积对跳跃效果影响的近似计算公式. 本研究将拓展刚?散耦合动力学理论, 并且为新型探测器在行星土壤上运动的系统设计提供技术支撑.      

Cascaded quasi-zero stiffness nonlinear low-frequency vibration isolator inspired by human spine

Human motion induced vibration has very low frequency, ranging from 2 Hz to 5 Hz. Traditional vibration isolators are not effective in low-frequency regions due to the trade-off between the low natural frequency and the high load capacity. In this paper, inspired by the human spine, we propose a novel bionic human spine inspired quasi-zero stiffness (QZS) vibration isolator which consists of a cascaded multi-stage negative stiffness structure. The force and stiffness characteristics are investigated first, the dynamic model is established by Newton’s second law, and the isolation performance is analyzed by the harmonic balance method (HBM). Numerical results show that the bionic isolator can obtain better low-frequency isolation performance by increasing the number of negative structure stages, and reducing the damping values and external force values can obtain better low-frequency isolation performance. In comparison with the linear structure and existing traditional QZS isolator, the bionic spine isolator has better vibration isolation performance in low-frequency regions. It paves the way for the design of bionic ultra-low-frequency isolators and shows potential in many engineering applications.

     

柔性梁刚柔耦合碰撞动力学及变形传播研究

运用柔性多体系统刚柔耦合动力学理论,研究了作大范围回转运动柔性梁的碰撞动力学问题.考虑柔性梁的横向变形,以及横向变形引起的纵向缩短项即非线性耦合变形项.采用基于Hertz接触理论及非线性阻尼理论的非线性弹簧阻尼模型来求解碰撞过程中产生的碰撞力,运用第二类拉格朗日方程建立了系统的刚柔耦合碰撞动力学方程.编制仿真软件进行动力学仿真计算,得到了碰撞力和系统动力学响应,对比分析了不同动力学模型对系统动力学响应的影响.同时研究了碰撞导致的柔性梁横向变形传播的波动特性.     

DYNAMIC MODELING AND ANALYSIS OF THE LOWER LIMB PROSTHESIS WITH FOUR-BAR LINKAGE PROSTHETIC KNEE$^{\bf 1)}$

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.     

四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.      

海洋生物水下粘附机理及仿生研究

生物粘附行为往往是生物在长期进化过程中获得的一种特殊功能或者生存能力,然而仿生水下粘附材料和结构如何充分再现生物材料的自适应能力一直是工程材料领域的研究难点. 本文作者基于自然界中丰富的粘附方式,详细介绍了几类典型海洋生物(贻贝、藤壶、沙塔蠕虫、章鱼、?鱼、鲍鱼、海胆)的水下粘附机理,并概述了相关的仿生设计(如DOPA改性水凝胶、吸盘贴、海胆机器人等)及其应用前景. 最后,对目前海洋生物粘附机理和相关仿生研究进行归纳总结,阐述存在的问题,提出深入研究典型海洋粘附生物“粘附-脱附”的动态过程和调控机理的必要性,并进一步指出仿生粘附研究在未来可逆、可控、绿色的发展方向和趋势.      

考虑剪切效应的旋转FGM楔形梁刚柔耦合动力学建模与仿真

本文对一类中心刚体-柔性梁系统在大范围转动下的刚柔耦合动力学问题进行了研究. 柔性梁为功能梯度材料(functionally graded materials, FGM)楔形变截面梁,材料体积分数在梁轴向呈幂律分布变化. 以弧长坐标来描述柔性FGM梁的几何位移关系,分别使用倾角和拉伸应变变量描述柔性梁的横向弯曲和纵向拉伸变形,并计及剪切效应. 采用假设模态法离散变形场,运用第二类拉格朗日方程进行方程推导,得到系统考虑剪切效应的刚柔耦合动力学模型. 基于全新的刚柔耦合动力学建模理论,研究不同轴向材料梯度分布的FGM楔形梁,通过数值仿真计算,分析讨论不同的转速、梯度分布规律以及变截面参数对系统动力学特性的影响. 结果表明,剪切效应对大高跨比的FGM楔形梁的变形影响较为明显,不容忽略;材料梯度分布规律和截面参数的选取均会对旋转FGM楔形梁的动力学响应和频率产生较大影响. 本文提出的考虑剪切效应的倾角刚柔耦合动力学模型是对以往非剪切模型的进一步完善,可应用于工程中的 Timoshenko梁结构的动力学问题求解.      

生物黏附与黏附力学的进展

介绍了动物及昆虫黏附能力及黏附系统的实验研究，重点介绍了力学仿生动物 及昆虫的黏附能力及黏附系统的研究工作. 还简单介绍实验室仿生制备及仿生黏附潜在 的用途，并对仿生黏附力学新的研究方向提出建议.     

控制棒驱动机构步跃提升碰撞的动力学建模

控制棒驱动机构(CRDM)在步跃提升时,钩爪部件会与承压壳体上的提升磁极发生面面碰撞。本文基于混合坐标法建立控制棒驱动机构有限元离散的刚-柔耦合动力学方程,用罚函数法计算了钩爪部件与承压壳体之间的碰撞力和应力分布情况。结果表明,刚柔耦合多体方法在仿真小变形碰撞时可以提高计算效率,同时又能达到与有限元方法同等的精度。进一步对碰撞模型不同区域的网格疏密和尺寸大小做了定量分析,得到了降低有限元网格数量的方法,可为工程中碰撞模型的网格划分提供参考。     

大型客机后缘襟翼操纵与非对称控制

针对大型客机后缘襟翼操纵与非对称控制的复杂结构及运动机构动力学仿真问题,通过零部件模态综合法建立刚柔混合多体动力学模型,替代传统的有限元法,综合考虑结构柔性、关节轴承摩擦、滑轮架摩擦、机翼盒段变形协调支持边界影响,实现了大型客机后缘襟翼在空中多状态/多工况载荷综合作用下的仿真分析．总体上看,仿真计算的各作动器驱动载荷变化规律与试飞结果一致,驱动载荷最大值误差小于10 %．受内襟翼靠近机身部分的翼面风洞测压数据及机身变形支持边界等不确定因素影响,初始启动和襟翼小偏度时各作动器操纵载荷仿真结果与试飞结果相对误差偏大．通过数值仿真,进行后缘襟翼单作动器脱开故障的非对称控制需求及其交联装置动态冲击过程分析,仿真结果表明内外襟翼交联装置可以有效减小后缘襟翼单作动器脱开故障非对称变形影响．     

作大范围空间运动柔性梁的刚-柔耦合动力学

研究带中心刚体的作大范围空间运动梁的刚-柔耦合动力学问题．从精确的应变-位移关系式出发，在动力学变分方程中，考虑了横截面转动的惯性力偶和与扭转变形有关的弹性力的虚功率，用速度变分原理建立了考虑几何非线性的空间梁的刚-柔耦合动力学方程，用有限元法进行离散．通过对空间梁系统的数值仿真研究扭转变形和截面转动惯量对系统动力学性态的影响．