高效节能仿生步行腿的生物力学原理与关键技术

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51475202
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    83.0万
  • 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:
    2018
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2018-12-31

项目摘要

To solve the high energy consumption problem which constraints the performance improvement of biped walking robot, this project selects the musculoskeletal system of human lower limb to be the bionic prototype to inspire innovative design and manufacture of walking leg of biped robot . The project determines study focus as the following: kinematics and kinetics study of human lower limb in variety motion patterns, to clarify multi-axis configuration characteristics and orientations of degree of freedoms of functional joints, and the possible effects of which on human gait and performances; establish biomechanical model of the musculoskeletal system of human lower limb in order to investigate the topology structure, configuration space of leg muscular system and their functions; to analyze mechanical properties of critical muscle groups and the effect on motion performance; to explore the energy transfer, storage and reuse pattern between muscular system and skeleton system during periodic motion; to clarify the energy control principle of human lower limb muscular system; to resolve the effective kinematic-coupling mechanism between muscular system and skeletal system and to reveal the energy saving principle of motion of lower limb based on musculoskeletal topology. Based on above, to develop functional design techniques of energy efficient bionic leg, and invent functional biomimetic joints and biomimetic muscle elements. Finally, manufacire one type of energy efficient bionic leg with high locomotion performance. This project would lay a biomechanics foundation and technical support for the innovative design and manufacture of walking leg-foot complex of biped walking robot.
针对制约双足步行机器人运动性能提升的高能耗问题,本项目以机器人步行腿为研究对象,以人体下肢骨骼-肌肉系统为仿生原型,研究多种运动模式下人体下肢的运动学和动力学行为,明晰功能性关节的多轴性构型特征、自由度位形及其对步态和运动性能的影响;建立基于解剖学的人体下肢骨骼-肌肉系统力学仿真模型,模拟研究下肢肌肉分布的拓扑结构、空间位形及其功能特征,分析关键肌群的力学特性及其对运动性能的影响;探究周期性运动中骨骼-肌肉系统内的能量的有效传递、储存及再利用模式,阐明肌肉系统对能量的调控原理;解析下肢肌肉系统与骨骼系统间的高效运动耦合机制,揭示基于骨骼-肌肉系统拓扑构型的人体下肢高效节能运动力学原理。在此基础上,开发节能仿生腿的功能设计新技术,研发功能性仿生关节与仿生力学作用器,最终研制出一种具备良好行走性能的节能仿生步行腿,为双足机器人高性能腿-足系统的创新设计与开发提供重要生物力学基础和技术支持。

结项摘要

本项目针对制约双足步行机器人的高能耗问题,项目组以双足机器人步行腿为研究对象,以人体下肢骨骼-肌肉系统为仿生原型,研究了10名测试对象在慢速、常速、快速运动模式下的人体下肢运动学和动力学行为,解析了踝关节的多轴性构型特征、自由度位形及其对步态和运动性能的影响;建立了基于解剖学的人体下肢骨骼-肌肉系统力学仿真模型,分析了关键肌群的力学特性及其对运动性能的影响;阐明了周期性运动中骨骼-肌肉系统对能量的调控原理,揭示了基于骨骼-肌肉系统拓扑构型的人体下肢高效节能运动力学原理。在此基础上,项目组研制了3款具备良好行走性能的节能仿生步行机器人,为双足机器人高性能腿-足系统的创新设计与开发提供了重要生物力学基础和技术支持。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(10)
Defect intelligent identification in resistance spot welding ultrasonic detection based on wavelet packet and neural network
基于小波包和神经网络的电阻点焊超声检测缺陷智能识别
  • DOI:
    10.1007/s00170-016-9588-y
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    International Journal of Advanced Manufacturing Technology
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Jing Liu;Guocheng Xu;Lei Ren;Zhihui Qian;Luquan Ren
  • 通讯作者:
    Luquan Ren
Morphologic Effects of Filiform Papilla Root on the Lingual Mechanical Functions of Chinese Yellow Cattle
丝状乳头根形态对黄牛舌机械功能的影响
  • DOI:
    10.4067/s0717-95022016000100010
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    International Journal of Morphology
  • 影响因子:
    0.5
  • 作者:
    Fu Jun;Qian Zhihui;Ren Luquan
  • 通讯作者:
    Ren Luquan
Subject-specific finite element modelling of the human foot complex during walking: sensitivity analysis of material properties, boundary and loading conditions
行走过程中人足部复合体的特定主题有限元建模:材料特性、边界和负载条件的敏感性分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Biomechanics and Modeling in Mechanobiology
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Mohammad Akrami;Zhihui Qian;Zhenmin Zou;David Howard;Nester Chris J;Lei Ren
  • 通讯作者:
    Lei Ren
具有仿生距下关节和跖趾关节的完全被动步行机
  • DOI:
    10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170006
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    吉林大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱志辉;周亮;任雷;任露泉
  • 通讯作者:
    任露泉
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:
    10.1242/bio.024828
  • 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

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其他文献

具有仿生距下关节和跖趾关节的完全被动步行机
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    吉林大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱志辉;周亮;任雷;任露泉
  • 通讯作者:
    任露泉
基于多种步态的德国牧羊犬下肢关节角研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    吉林大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱志辉;苗怀彬;任雷;任露泉
  • 通讯作者:
    任露泉
蜘蛛生物液压驱动原理及其功能仿生探索
  • DOI:
    10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180545
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    吉林大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘春宝;陈山石;盛闯;钱志辉;任露泉;任雷
  • 通讯作者:
    任雷
仿生张拉机械腿及其抗冲击性能仿真分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    吉林大学学报(工学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    钱志辉;吴思杰;王强;周新艳;吴佳南;任雷;任露泉
  • 通讯作者:
    任露泉
Protective mechanism of 1-methylhydantoin against lung injury induced by paraquat poisoning
1-甲基乙内酰脲对百草枯中毒肺损伤的保护机制
  • DOI:
    10.1136/bmjopen-2022-062050
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Plos One
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    刘波;陈安南;任雷;兰金义;魏逸凡;高利娜
  • 通讯作者:
    高利娜

其他文献

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仿生拉压体双足机器人原理与关键技术
  • 批准号:
    91848204
  • 批准年份:
    2018
  • 资助金额:
    280.0 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划

相似国自然基金

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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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