传统足式机器人在复杂地形上自适应行走方面存在着机构柔性不足。基于张拉整体结构与人体肌肉骨骼系统相似性,提出了一种仿生张拉足式机构,用于提升传统足式机器人自适应地形和稳定锁紧性能。通过张拉单元匹配建立了类似人体足部的张拉整体结构等效映射模型;采用仿生设计方法实现了机构构型设计;制作了物理样件并搭建了实验平台。结果表明,提出的仿生足式机构具有较好的柔性和稳定性,提升了传统足式机器人斜坡地形的自适应稳定行走能力。

对竹子进行了随机采样,并分别从宏观和微观两个尺度进行了结构观测。在此基础上,提取出了宏观变壁厚带节特征和微观多胞分布特征,并将这些结构特征应用至工程机械用液压缸活塞杆的轻量化设计上,得到了变壁厚带结活塞杆、多胞薄壁活塞杆及多胞变壁厚带结叠加结构活塞杆等三种仿生结构活塞杆。与传统轻量化设计方法得到的空心活塞杆相比,三种仿生结构活塞杆的质量分别减轻了22.652%,54.927%和6.326%。利用ABAQUS有限元软件分别对各结构活塞杆进行了最大受压条件下的静力学数值模拟。应力结果表明:变壁厚带结活塞杆和多胞变壁厚带结叠加结构活塞杆上的最大压应力均未超过材料的许用应力,满足强度要求,且仿生活塞杆的应力集中面积均较小。变形结果表明:三种仿生活塞杆均能满足合理变形要求。

自然界的生物结构在自适应生长规律的控制下形成了既没有不承载区，也没有过载区的最优材料布局形态，基于这种自适应生长规律原理的SKO（soft kill option）方法可用于工程结构的拓扑优化设计。深入探讨了基于满应力准则的SKO原理的实现方法，并着重讨论了结构拓扑形态寻优过程中的设计参数、寻优策略等关键技术，以若干典型的设计实例说明了该方法的有效性。

受鲤科鱼类C型启动逃逸反应时高效率游动姿态及其周围涡流特征的启发,进行叶片仿生设计,以提升多翼离心风机的气动性能。首先,采用逆向工程方法获取了鲤科鱼C型启动姿态时鱼体中心线方程和水平剖面轮廓线方程,以C型启动时鱼体中弧线为基准,设计了仿生等厚叶片。其次,通过多翼离心风机气动性能数值计算和实验测试,得到了具有最佳进口安装角的仿生等厚叶片(O-BETB),采用O-BETB的多翼离心风机的风量增加了6.8%,噪声下降了0.5 dB(A)。最后,将仿生重构的鱼体流线型轮廓与O-BETB相耦合,得到仿生耦合叶片(CBB),以进一步提高多翼离心风机气动性能。结果表明当采用CBB时,多翼离心风机的风量增大了8.3%,噪声下降了1.1 dB(A)。基于流场分析,发现具有仿生中弧线和鱼体轮廓特征的耦合叶片在前缘进口角及叶片型线具有更好的引流导向作用,叶间流道的低速分离旋...

为了更好地实现叶片表面的流动控制,提升多翼离心风机的气动性能。本文突破传统仿鱼形叶片型线设计的局限性,基于优化叶片中弧线和鱼体单侧轮廓线发展了一种吸力面仿鱼形叶片。首先采用Box-Behnken响应面实验设计方法对叶片的进口角、出口角、叶片数和轮径比进行参数化设计,通过二次回归拟合得到叶片参数与风量的函数关系及最优参数组合。然后将鱼体单侧轮廓线应用在具有最优设计参数的叶片上,以提升多翼离心风机的气动性能。通过数值模拟方法研究了叶片仿生设计对多翼离心风机气动性能的影响,揭示了吸力面仿鱼形设计叶片的流动控制机理。与原型相比,采用吸力面仿鱼形叶片的多翼离心风机风量增加了8.4%,效率提升了6.73%。研究结果表明吸力面仿鱼形叶片的叶道内的流场分布明显优于单圆弧等厚叶片和传统仿鱼形叶片,其压力面型线保...

受高效飞行鸟类翼型结构启发,尝试采用叶轮仿鸮翼设计结合子午流道型线参数优化设计提高离心压缩机的气动性能。首先,提取具有优良气动性能的长耳鸮翅膀展向40%截面处翼型进行仿生逆向重构,基于鸮翼厚度分布特征进行离心压缩机叶轮的仿生设计;然后,采用拉丁超立方抽样、BP神经网络拟合、遗传算法寻优对叶轮叶顶侧子午流道型线进行参数优化,并对优化设计前后的离心压缩机气动性能及其流动特性进行数值分析。结果表明采用提出的叶轮仿生设计耦合子午流道参数优化方法,离心压缩机内部流场得到改善,气动性能得到提升。设计工况下,优化后的离心压缩机多变效率提高了3.16%,压比提升了2.61%;叶轮内部及叶片扩压器出口的高熵区域缩小,流动分离得到有效抑制,同时叶片表面载荷增大且分布更加均匀,叶轮做功能力增强。

为了提高多足机器人驱动用单泵多缸液压系统中执行器的效率,在对莲的生理活动进行观察的基础上,设计了一种仿莲式结构多腔液压缸。该缸采用多个腔室,各腔室间可通过开关阀相互连通,使得液压缸的有效作用面积可调,从而提供不同大小的输出力。同时,通过优化设计使不同腔体的负载压力均匀分布,减少了主活塞偏离缸体中心线导致的泄漏及磨损,又通过回油腔和供油腔相连实现了流量补偿。本文还建立了仿莲式多腔液压缸的数学模型,并利用MATLAB和FluidSIM对其输出力和执行器效率进行仿真分析,验证了该设计的合理性。

基于蜜蜂腿部结构及运动步态特点和仿生设计基本原理,设计了一种新型六足机器人机构,可实现不同运动步态下的前进、后退和转向,具有较高的步态稳定性和环境适应性。运用空间分解法构建了机器人单腿的运动学模型,利用消元法对模型进行求解,得到逆运动学的唯一解。通过数值求解获得了六足机器人足部末端的运动轨迹,验证了运动学模型的正确性。借鉴蜜蜂的运动步态特征,规划了六足机器人直行和转弯时的运动步态。该研究为六足机器人机构设计与步态规划提供了新的思路和理论参考。

骨骼肌被认为是一种强大的、灵活的、多功能的生物驱动器。随着软材料、柔性机器人和仿生学的不断进展,基于流体驱动的仿骨骼肌柔性驱动器因其呈现出明显学科交叉特性,成为当下研究热点。因此,以骨骼肌肌肉-肌腱结构概念为设计引导,开发一种大规模并行结构的高度仿骨骼肌柔性驱动器,称为仿肌肉-肌腱系统柔性驱动器。开展柔性驱动器应力,应变和力-速度测试。实验结果显示柔性驱动器的应力达到0.32 MPa,提升载荷40 kg,应变为11.7%,并具备与骨骼肌非常接近的力-速度特征。实现了高功率密度,高应力应变,高输出力和固有力学特性集成,并实现关节转动和摆动的应用。

以跳跃性能优异的蝗虫为仿生对象,设计一种新型仿生跳跃机构。针对蝗虫采用的间歇式跳跃机制以及蝗虫后腿结构简单高效的特点,新型机构通过不完全线齿轮传动提供间歇运动,以跳跃执行部分模拟蝗虫后腿跳跃结构,并以弹簧作为储能机构。对跳跃机构进行垂直方向的跳跃运动仿真,并分析跳跃机构中弹簧的弹性系数大小对跳跃能力的影响,结果表明该跳跃机构的设计具有较好的可行性,并有尺寸小、跳跃能力强的特点。