基于生物张拉原理的节能步行腿仿生关键技术

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51675222
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0507.机械仿生学与生物制造
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Lower energy efficiency has been a key problem which limits the further improvement and engineering application of quadruped robot. To solve the problem, this project selects the domestic cat, one typical feline animal which has higher energy efficiency locomotion characteristic, to be the bionic prototype to inspire innovative design and manufacture of high energy efficient bionic leg. The project determines study focus as the following, based on kinematics and kinetics of cat in variety motion patterns, to clarify functional configuration characteristics of joint face and its possible effects on joint stiffness; to analyze the topological structure, and key mechanical property of ligament; to determine the actuation pattern, topological structure, and configuration of muscular system of lower limb; to explore the modulation and transfer pattern of force within cat musculoskeletal system; to resolve the kinematic-coupling mechanism between cat muscular system and skeletal system ; to clarify the effects of configuration, topology and key mechanical properties of ligament and muscular system on input torque and degree of freedom of joint, and in final to reveal the energy efficient principle of biotensegrity mechanism of musculoskeletal system of lower limb based on the coupling analysis of material, configuration and topology structure. Based on above, the project will propose biomechanical tensegrity design principles of energy efficient leg system; invent tensegrity based bionic joints and actuators; and develop key manufacture technologies of leg system, in order to overcome the technical shortcoming of energy efficiency and offer biomechanical theory foundation and technical support for innovative design and manufacture of energy effective quadruped robot.
针对制约四足机器人运动性能提升与实用化的高能耗、低效率关键问题,本项目选择具有高能效运动特征的猫科动物-家猫的下肢骨骼-肌肉系统为仿生原型,研究猫体下肢骨骼系统的关节面构形特征及其对关节刚度的影响,分析关节韧带的材料力学特性与拓扑结构特征;解析并表征关键肌群的拓扑结构、空间位形特征及力学作用特性; 模拟研究在周期性运动中骨骼-肌肉系统内的力的有效分配与传递模式,阐明肌肉系统与骨骼系统间的高效运动耦合机制;揭示韧带和肌肉系统的力学特性、拓扑结构及空间位形对骨关节扭矩与运动自由度的调控机制,最终阐明基于材料、构形与拓扑结构的猫体下肢骨骼-肌肉系统的生物张拉节能原理。在此基础上,提出节能仿生步行腿的张拉设计准则,开发张拉仿生关节与仿生力学作用器,获取节能仿生步行腿的关键制备技术,为突破腿式机器人运动能效技术“短板”、创新设计与开发高能效四足机器人提供重要的生物力学理论基础和技术支持。

结项摘要

本项目针对制约四足机器人运动性能提升的运动能耗高关键问题,以家猫的下肢骨骼-肌肉系统为仿生原型,研究了家猫在常速行走、小跑和奔跑运动下的运动力学行为,解析了猫体下肢骨骼系统的功能性关节韧带、肌肉的材料力学特性和拓扑结构特征,揭示了在周期性运动中骨骼-肌肉系统内的力的有效分配与传递模式,阐明了肌肉系统与骨骼系统间的高效运动耦合机制,揭示了韧带和肌肉系统的力学特性、拓扑结构对骨骼结构及骨骼关节稳定的调控机制,综合阐明了基于材料和拓扑结构的猫体下肢骨骼-肌肉系统的生物张拉节能原理。在此基础上,提出了节能仿生步行腿的张拉设计准则,开发了张拉仿生步行腿物理样机,简化了控制,获取了节能仿生步行腿的关键制备技术,为具备高能效运动特征的机器人腿足系统的创新设计与开发提供了重要的生物力学理论依据和技术支持。

项目成果

期刊论文数量(13)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(11)
How does paw pad of Canine attenuate ground impacts? A multi-layer cushion system
犬科动物的爪垫如何减弱地面冲击力?
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Biology Open
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Huaibin Miao;Jun Fu;Zhihui Qian;Luquan Ren;Lei Ren
  • 通讯作者:
    Lei Ren
Structure, mechanical properties and surface morphology of the snapping shrimp claw
鳄虾爪的结构、力学性能及表面形貌
  • DOI:
    10.1007/s10853-018-2364-7
  • 发表时间:
    2018-08-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE
  • 影响因子:
    4.5
  • 作者:
    Qian, Zhihui;Yang, Mingming;Ren, Lei
  • 通讯作者:
    Ren, Lei
Simulation analysis of ultrasonic detection for resistance spot welding based on COMSOL Multiphysics
基于COMSOL Multiphysics的电阻点焊超声波检测仿真分析
  • DOI:
    10.1007/s00170-017-0665-7
  • 发表时间:
    2017-11-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Liu, Jing;Xu, Guocheng;Ren, Luquan
  • 通讯作者:
    Ren, Luquan
Noninvasive in Vivo Study of the Morphology and Mechanical Properties of Plantar Fascia Based on Ultrasound
基于超声的无创体内足底筋膜形态和力学特性研究
  • DOI:
    10.1109/access.2019.2909409
  • 发表时间:
    2019-04
  • 期刊:
    IEEE Access
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Wang Kunyang;Liu Jing;Wu Jianan;Qian Zhihui;Ren Luquan;Ren Lei
  • 通讯作者:
    Ren Lei
In Vivo Assessment of Lower Limb Muscle Stress State Based on Shear Wave Elastography
基于剪切波弹性成像的下肢肌肉应力状态体内评估
  • DOI:
    10.1109/access.2020.3007145
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
    IEEE Access
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Jing Liu;Kunyang Wang;Wu Jianan;Huaibin Miao;Zhihui Qian;Luquan Ren;Lei Ren
  • 通讯作者:
    Lei Ren

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其他文献

基于CT图像的人体下肢骨胳三维实体重建
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    --
  • 发表时间:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    任露泉
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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    钱志辉
  • 通讯作者:
    钱志辉
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    吉林大学学报(工学版)
  • 影响因子:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    任露泉
基于多种步态的德国牧羊犬足-地接触分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    吉林大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱志辉;苗怀彬;商震;任露泉
  • 通讯作者:
    任露泉

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钱志辉的其他基金

多元耦合变刚度仿生椎间盘的生物力学原理与关键技术
  • 批准号:
    52175270
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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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