犬四肢维稳减振耦合机制及仿生无角位移减振机构研究

The working environments of the terrain-machine, aircraft and other moving vehicles are very complex, and the accuracy and stability of the precise photoelectricity instruments or precise intelligent equipments are often affected by vibration. Inspired by the efficient balance and stability control capability. the project selected how to solve the vibration which restricted the precision and stability of the instruments or equipments as the scientific question, and took the limbs of typical quadrupeds(dogs) as the research object. We will establish a fine three-dimensional skeletal muscle model, and study the kinematic mechanics laws of the limbs and limb-trunk combined with the obtained kinematic and kinetic parameters under the external disturbance; analyze the mode in which the external disturbance is adjusted, distributed and transmitted in the musculoskeletal system; identify and analyze the factors (coupling elements)influencing stability improvement and the vibration reduction, establish the multi-coupling bionic extensive model with good stability and the vibration reduction, and design and optimize a multi-coupling bionic irrotational displacement isolator. Research is expected to reveal the coordination and equilibrium coupling mechanism of the limb joints, limbs-trunk, and develop a new technology for bionic coupling design of irrotational displacement isolator support platform. The project will provide a bionic design method to improve the stability and precision of the carried equipments in the moving vehicles.

地面机械、飞机等动载体所处环境复杂，其所携带的光电精密系统或精密智能装备常受到振动冲击引起的干扰，影响精度和稳定性。本项目针对制约动载体所搭载仪器设备精度和稳定性能的支撑平台减振科学问题，受四足动物高效的平衡控制和维稳特性启发，以典型四足动物-犬的四肢为研究对象，建立精细的四肢骨骼-肌肉系统三维生物力学模型，结合运动学和动力学试验，研究外部扰动下四肢各关节和四肢-躯干的运动力学规律；分析外部扰动在骨骼-肌肉系统中被有效调节、分配和传递的模式；对影响四肢维稳减振功能实现的各因素（耦元）与耦联方式进行辨识与权重分析，建立四肢维稳减振多元耦合可拓模型，设计优化出无角位移减振仿生耦合机构。研究预期揭示犬四肢各关节、四肢-躯干的协调运动机理和平衡耦合机制，开发无角位移减振支撑平台的仿生耦合设计新技术，为提高动载体携带装备稳定性与可靠性提供一种新的仿生设计方法。

项目针对精密装备运行工作中存在的振动问题，以犬和山羊为研究对象，从生物解剖学、动物运动学、机械学等角度进行了仿生减振技术的研究。采用三维运动捕捉系统和自主搭建的多自由度测试试验台，构建测试系统，基于所建立的四肢多环节刚体模型，进行犬和山羊外部冲击扰动下的运动测试及特性分析，分析了四足动物在外扰动（跑步机速度、坡度和测试台冲击）下四肢以及各关节协调运动机制。通过生物力学建模及仿真分析方法，分析犬股骨-膝关节-胫骨生物力学系统在受外力运动过程中的力学特性，阐释了犬维稳减振的耦合机制；建立犬肢体的减振系统动力学模型，由动力学系统模型可知，犬肢体的减振性能与生物系统的刚度和阻尼有重要关系，因此进行仿生机构设计时，阻尼和刚度是设计的重要因素。基于犬和山羊腿部结构以及关节的骨骼肌肉，设计了仿生减振机构，并进行了结构和参数的优化，形成了系列减振机构，并进行了仿真分析，对不同外部激励（激励位置、激励大小）下的减振效果进行了研究，获得了结构紧凑、减振特性优异的仿生减振机构；采用数学建模和Adams对具有刚度函数化的减振机构设计进行了计算与仿真分析，验证设计的减振机构刚度函数化设计的可行性和合理性。提取山羊足蹄进行生物学观测，发现山羊蹄匣内分布有倾斜角为55°的斜孔，根据这一生物学结构特点，设计与制造了仿生减振单元和浇铸模具，并搭建减振性能测试系统，采用试验优化设计方法，以固有频率和最大传递比为试验指标，对仿生减振单元与无孔对比样件的减振性能进行测试，所设计的仿生减振单元固有频率和振动传递比更小，减振频域更大，具有更好的减振效果。耦合四肢各关节的协同运动模式和仿生减振机构单元，设计了既抑制角位移，同时又具有减振功能的无角位移减振机构。项目组还提出了一种综合减振机构、减振单元以及四肢协同运动模式的无角位移耦合仿生减振装置模型，该模型为更进一步地提高减振效果拓展了思路，打下了基础。