基于啄木鸟啄击动态调节机理的星球仿生采样机器人研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51775541
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0501.机器人与机构学
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2017
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2018-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Woodpeckers have an excellent pecking ability with the characteristics of high frequency, high speed, and high strike force. By virtue of the positive and passive vibration isolation in its head and the coordinating motion in its body (especially, the dynamic adjustment mechanism between the stiffness and preload in its hyoid), the woodpecker’s head can be protected under the impact where the impact energy can be dissipated. Inspired by this biological principle, we aim at developing a new sampling mechanism by imitating the dynamic adjustment mechanism in its hyoid and its anti-impact properties for the future applications of sampling hard rock and soil in the planetary exploration mission. Firstly, the micro-nano structure and viscoelastic properties of the hyoid and skull of the woodpecker are analyzed; combining the high-speed X-ray imaging technology, the intelligent adjustment model of the woodpecker in the pecking process is established, which aims to analyze the mapping relationships between the hyoid property (stiffness and preload) and the pecking parameters (frequency, speed, and force) and reveal the dynamic adjustment mechanism of the woodpecker hyoid in the pecking process. Secondly, the intelligent materials and multi-layer passive damping materials are used to fabricate the bionic hyoid and skull; the new damping pecking sampling mechanism is developed by imitating the pecking movement principle. Finally, based on the aforementioned study, a planet bionic sampling robot, which has the functions such as the walk, detection, pecking, hammering, sample selecting, sampling and collection, is developed. The research results of the project will provide a technical preparation for the future planetary exploration and have important research value and application prospect.
啄木鸟具有高频、高速、高冲击啄击能力,通过头部主被动减振和身体协调,特别是舌骨刚度和预紧力的动态调节,实现了高强度啄击下脑部的安全防护以及冲击能量的有效耗散。受此启发,针对星球探测任务中对硬质岩土自主采样需求,拟研制仿啄木鸟舌骨动态调节机理、可抑制啄击振动冲击的新型啄取采样机构。本项目首先分析啄木鸟舌骨和颅骨微纳结构与粘弹特性,并结合高速X光成像摄影技术,建立啄木鸟啄击过程智能调节模型,阐明舌骨刚度和预紧力与啄击频率、啄击速度、啄击力的映射关系,揭示啄木鸟啄击过程中舌骨的动态调节机制;利用智能材料及多层被动减振材料设计仿生舌骨和仿生颅骨,通过喙部啄击信号反馈调控仿生舌骨的刚度和预紧力,研发新型减振啄取采样机构并进行测试和优化;在上述基础上,研制具有行走、探测、啄击、锤击、选样、取样、收集等功能的星球仿生采样机器人。项目研究成果将为未来星球探测提供技术筹备,具有重要研究价值和广阔应用前景。

结项摘要

本课题针对星球探测任务中对硬质岩土自主采样需求,分析啄木鸟舌骨和颅骨微纳结构与粘弹特性,并结合高速X光成像摄影技术,建立啄木鸟啄击过程智能调节模型,揭示了啄木鸟啄击过程中舌骨的动态调节机制;利用智能材料及多层被动减振材料设计仿生舌骨和仿生颅骨,研发新型减振啄取采样机构并进行测试和优化;在上述基础上,研制具有多功能于一体的星球仿生采样机器人。. 取得的创新性研究成果如下:1) 开展了啄木鸟头部微结构及粘弹性力学特性分析,测试了脑组织的力学特性,建立了脑组织的精准力学本构模型,研究分析了所设计的多层抗冲击结构内部颗粒粒径、颗粒填充率、泡沫板和橡胶板的组合方式对抗冲击系数的影响;2) 提出了啄木鸟头部及全身抗冲击动态调控机制,提出基于体段模型的体段匹配方法用于测量啄木鸟啄击运动的姿态和形态,揭示了啄木鸟头部抗冲击的减振机理根据总结的四层减振系统,设计了一种多方向的多层抗冲击结构;3) 研发制备了高强度、多孔水凝胶智能减振材料;4) 进行了啄取机构设计及优化,完成了关键部件的拓扑优化及参数优化;5) 完成仿生采样机构的样机研制并开展了仿真及试验研究,试验表明该采样机构对不同地面具有很强的适应能力,完成了预定采样任务。. 在上述研究基础上,依托本课题共发表学术论文40篇(其中SCI检索论文32篇、EI检索论文2篇);出版机器人领域国际会议论文集《智能机器人与应用》(Intelligent Robotics andApplications Part I~VI)1 部,荣获2020年施普林格•自然(Springer Nature) “中国新发展奖 (China New Development Awards)”;申请发明/实用新型专利23项,授权7项;项目相关成果获得辽宁省技术发明奖一等奖、中国振动工程学会技术发明奖二等奖等奖励。

项目成果

期刊论文数量(31)
专著数量(1)
科研奖励数量(4)
会议论文数量(5)
专利数量(23)
How woodpecker protects its brain from concussion during pecking compared with chicken and pigeon
与鸡和鸽子相比,啄木鸟在啄食过程中如何保护大脑免受脑震荡
  • DOI:
    10.1063/5.0004546
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
    AIP Advances
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Li Yang;Zhang Wei;Meng Qing Ling;Jiang Gang;Wu Cheng Wei
  • 通讯作者:
    Wu Cheng Wei
Measurement of Simulated Lunar Soil Information Using Rutting Images
使用车辙图像测量模拟月球土壤信息
  • DOI:
    10.1109/access.2020.3006460
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    IEEE ACCESS
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Gao, Hongwei;Zhou, Yuqi;Liu, Jinguo
  • 通讯作者:
    Liu, Jinguo
An improved kinematic calibration method for serial manipulators based on POE formula
基于POE公式的改进串联机械臂运动学标定方法
  • DOI:
    10.1017/s0263574718000280
  • 发表时间:
    2018-05
  • 期刊:
    Robotica
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Chang Chenguang;Liu Jinguo;Ni Zhiyu;Qi Ruolong
  • 通讯作者:
    Qi Ruolong
仿树蜂三瓣式采样器研究
  • DOI:
    10.19356/j.cnki.1001-3997.20180626.002
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    机械设计与制造
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    冯靖凯;刘金国;张飞宇
  • 通讯作者:
    张飞宇
Hand gesture recognition using multimodal data fusion and multiscale parallel convolutional neural network for human-robot interaction
使用多模态数据融合和多尺度并行卷积神经网络进行手势识别以实现人机交互
  • DOI:
    10.1111/exsy.12490
  • 发表时间:
    2020-01-07
  • 期刊:
    EXPERT SYSTEMS
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Gao, Qing;Liu, Jinguo;Ju, Zhaojie
  • 通讯作者:
    Ju, Zhaojie

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其他文献

一种可变形移动机器人协同构形变换方法
  • DOI:
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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
    李斌;吴成东;刘同林;刘金国
  • 通讯作者:
    刘金国
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    光学学报
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    --
  • 作者:
    武星星;刘金国;周怀得
  • 通讯作者:
    周怀得
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    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
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  • 作者:
    武星星;刘金国
  • 通讯作者:
    刘金国
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    电光与控制
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  • 作者:
    武星星;刘金国
  • 通讯作者:
    刘金国
多路高速短消隐期线阵CCD图像数据存储设计
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    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    液晶与显示
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  • 作者:
    余达;龙科慧;徐东;赵莹;王冶;陈佳豫;刘金国
  • 通讯作者:
    刘金国

其他文献

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刘金国的其他基金

基于鳞翅目昆虫羽化发育机理的空间可展结构研究
  • 批准号:
    51175494
  • 批准年份:
    2011
  • 资助金额:
    60.0 万元
  • 项目类别:
    面上项目
可变形机器人的构形网络模型研究
  • 批准号:
    60705029
  • 批准年份:
    2007
  • 资助金额:
    18.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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相似海外基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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