摘要:围绕仿生系统动力学建模、设计理论与方法、非线性振动特征、控制方法等研究主题,本专刊介绍了仿生系统动力学与控制的一些创新性研究和工程应用成果.

摘要:基于仿生学的思想,通过模仿生物系统的结构几何构成特性,创新优化隔振模型是当今隔振领域的热门问题.本文基于仿生灵感来源的不同,对现有的仿生隔振器进行了系统的分类,并对不同设计原理的仿生隔振器恢复力本构与隔振性能做了详细的阐述和对比,旨在通过隔振器隔振频带的横向对比厘清几何构型与可调参数的影响,以此厘清隔振器几何设计和隔振性能的关系.并且,本文展望了未来仿生隔振器的发展前景和研究方向.

摘要:作为一种新型微光机电系统,MEMS微镜可完成微尺度下的光调控工作,在光电通信、医疗成像、民用投影、雷达探测等领域应用广泛.近年来,以微镜为核心部件的MEMS激光雷达因其体积小和功耗低等优势,有望成为更具竞争力的辅助驾驶传感器之一.然而,鉴于车载应用特殊性,MEMS微镜在温湿、电磁、振动和冲击等复杂多物理场耦合环境下的各类可靠性问题严重制约了MEMS激光雷达的工程应用.本文立足MEMS微镜可靠性研究领域,综述其在高频振动、温湿循环、电磁耦合等极端环境下的分层翘曲、结构断裂、静电吸合、短路烧毁等复杂失效形式及失效机制,总结了MEMS微镜常见动力学建模理论及控制方法,讨论并展望了MEMS激光雷达车规化面临的主要挑战和发展趋势.

摘要:波叠加法在求解声源外部辐射声场时,需要对所有离散单元进行数值积分计算导致计算效率较低,而等效源法由于过度简化单元始终存在较大的积分近似误差.针对以上缺陷,利用Helmholtz方程在球坐标系下的解构造了一种与单元积分等效且无需积分的波函数.受仿生复合材料三角形缝合结构启发,以适用范围最广的平面三角形单元为例,构造了波函数的一般形式和内推形式.最后,通过数值仿真对比了两种波函数与直接积分的计算声场的精度和效率.结果表明,两种波函数与直接积分的计算误差低于0.5%,且内推波函数的计算效率约为直接积分的6倍.

摘要:为了突破传统隔振器刚度和承载能力之间的矛盾,需要隔振器具有高的静态刚度,低动态刚度的特性.如今的准零刚度隔振器技术可以实现低频微幅隔振,但是对于大幅振动,隔振效果并不明显甚至失效,因此突破宽幅隔振成为隔振领域亟待解决的问题.为此,我们利用多稳态折纸通过并联装配的方式,构造具有宽幅零刚度区间的折纸型隔振器,以解决传统隔振器振动抑制幅值较低的问题.本文建立了宽零刚度隔振器模型,提出宽幅零刚度的设计方法,并通过动力学分析分析了模型的隔振效果.最后搭建试验样机,验证了理论的正确性.这种设计打破了传统准零刚度隔振器单点准零的设计准则,能够在一个大幅范围内保证稳定性,同时实现零刚度,极大拓宽了隔振器的适用范围.这种设计理念能够被用在新隔振材料设计和航空、船舶等大幅低频动态环境中.

摘要:基于模型的智能假肢控制方式具有物理意义明确、参数变量少的优势,但受建模误差、模型不确定等因素的影响,其控制精度仍有待进一步提高,而有效措施之一便是假肢先验动力学建模与辨识.本文针对实验室新设计的动力大腿假肢,研究了基于库伦-粘性摩擦的大腿假肢动力学参数辨识问题.首先,基于拉格朗日方法建立了具有固定传动比动力膝关节和非线性传动比动力踝关节的大腿假肢动力学模型；其次,采用库伦-粘性摩擦模型来描述假肢动力学模型中的关节摩擦行为；最后,通过粒子群优化算法辨识了大腿假肢的动力学参数.结果表明,相比于基于3D建模软件的估计参数,基于辨识参数重构的膝、踝关节电机扭矩与实测扭矩的均方根误差分别降低了93.55%和80.83%,模型精度得到了显著提高.这一结果不仅验证了本文假肢动力学建模与参数辨识方法的有效性,也为假肢后续的高精度控制提供了技术支撑.

摘要:在生物和医学领域，微机电系统(MEMS)中的微梁结构在植入人体的使用时,由于体内的细胞环境类似于水凝胶,在这种环境下工作,设备和仪器的精度和稳定性很大程度上受到细胞弹性的影响.为了分析此类地基梁的动力学问题,本文建立非线性基础上的梁动力学模型,研究了任意位置弹簧和非线性弹簧基础上的梁模态.通过Laplace变换和线性叠加原理,得到了约束的Green函数,利用数值计算验证方案的有效性,并研究了各种重要物理参数的影响,发现弹簧位置向跨中移动,模态对称性被打破,弹簧刚度增加,模态阶数改变.

摘要:对设备加装隔振装置是保证其高效工作的重要方法之一.本文从仿生学的角度,根据猫科动物落地时优秀的抗冲击能力,通过观察其落地动作姿态,利用非线性补偿原理,以空气弹簧作为正刚度结构,设计出一种具有非对称刚度特性的高静低动刚度隔振器.以其为研究对象,建立了动力学模型,利用特定的方法对非对称刚度系统进行分析求解,并与数值结果和有限元仿真结果进行对比.结果表明,在较低阻尼以及较高激励幅值下,还会出现倍周期响应甚至混沌响应.同时,通过将本文设计的隔振结构和单一空气弹簧的隔振性能对比,可以得到隔振效果明显优于单一空气弹簧的结论,从而验证了所设计隔振结构的有效性和可行性.

摘要:随着人类对自然的探索越来越深入,新型水下航行器的需求与日俱增,仿生机器人因其特殊的推进方式和高效的推进效率而受到越来越多的关注,而传统的仿生鱼类仅模拟了流线型外壳,少有提及仿生对象本身结构对于仿生性能的影响,本文提出了一种基于中央模式发生器(CPG)的类双髻鲨仿生机器人.以鱼类基本运动形态为基础,将鱼身抽象为关节连杆结构,建立了三关节四连杆的仿生机器鱼模型并进行了仿真计算.根据步态规律预估了其运动性能,随后通过实验验证了可行性.本仿生鱼旨在以简单的机械结构和较低的控制成本,实现对双髻鲨的最大限度模拟,得益于良好的仿生结构,中央模式发生器的引入,以及柔性硅胶材料在鱼身的应用,此机器人拥有体型小,控制简单,地形适应能力强,能量利用率高等特点,与传统水下推进器相比噪音更小,环境适应能力更强,在科研、农业等行业均具有广泛的应用前景,如野外勘测,水下救援,水域巡逻等.

摘要:工业的不断发展对机械臂的负载要求越来越高,而负载的增加会对机械臂末端的精度造成影响.本文以Franka七轴串联机械臂为对象,采用MDH法和雅可比迭代法对其正、逆运动学展开分析；采用三次函数插值法进行关节空间的轨迹规划.基于拉格朗日方程建立了机械臂的动力学模型,并通过Admas和Simulink联合动力学仿真验证了动力学模型的有效性.最后基于定位控制,对末端位置误差收敛速率、负载质量、控制参数之间的关系展开研究.