捕鱼蛛液压传动运行机制与驱动机理及仿生驱动系统研究

It’s well known that bionics has played an important role in solving many engineering problems. In this application, Dolomedes called “Fishing spider”, which has a biological hydraulic system with excellent performances present in the body, is selected as the object of study. Definitely，the bionic research on the biological hydraulic system can contribute to the development of hydraulic system. Clearly, the internal flow field during the fluid transmission is the decisive factor. The different drive modes of hydraulic system are found out based on the analysis of flow filed, when the Fishing spider behaves different actions such as still, sudden movement, walking and so on. The control principles of the system during locomotion can be discovered by through research on Fishing spider’s kinematics and dynamics. The method linked drive modes of hydraulic system and control principles is put forward to find the mechanism of hydraulic drive during the locomotion. In the application, the most suitable drive mode of the system and its compositions which achieves the best balance between energy saving and high power density under each action are discovered. It’s also important to find the rapidly switch principle between different drive modes. Through the series of studies above, the mechanism of hydraulic drive and the procedure of energy transfer during the locomotion are explained. Then, the hydraulic transmission model of Fishing spider’s system is set up and the bionic design is conducted. The research in the application on Fishing spider’s hydraulic system is helpful to develop of complex hydraulic system components, system integration and control. It also could guide similar work in anthers energy transfer process of biological system.

项目对自然界捕鱼蛛的生物液压系统展开仿生研究，为液压传动发展提供一种新的途径。研究过程中，提出了捕鱼蛛内部流动规律和外部运动学、动力学特征相结合的液压系统运行机制与驱动机理研究方法。捕捉到在静止、瞬态动作、持续运动等行为下，捕鱼蛛实现自身能量消耗最低却获得最大功能时效的实时驱动模式与运动协调控制机制。明确液压驱动模式的模块组成，掌握运动行为变化过程中驱动模式的快速切换原理。通过项目研究，最终揭示出捕鱼蛛液压系统的驱动机理和生物能量传递与转化过程。构建捕鱼蛛液压系统生物模型，进行功能仿生，设计出高性能的仿生液压驱动系统，高效再现捕鱼蛛液压系统的卓越性能。项目的研究成果有助于发展新的液压驱动系统或优化现有系统。项目的研究工作可为探索生物能量高效利用的原理与能量传递的机制提供借鉴。

液压传动为流体传动的一种，是行走机械与高能容比的工业机械中的核心传动形式。对比传统工业液压系统，自然界中生物体内存在的液压系统用很低的内部压力实现了高效的驱动，并体现了无污染、结构紧凑、高效率与功率质量比、运动协调控制、稳定可靠等优点。因此本项目师法自然，以捕鸟者为研究对象，通过蜘蛛运动学与动力学研究、蜘蛛液压驱动流动规律研究、蜘蛛液压驱动模式研究、蜘蛛液压系统驱动机理和生物模型仿生研究、新型智能仿生驱动装备开发五方面内容的研究，抓住流体传动本质，提出了捕鸟蛛内部流动规律和外部运动学、动力学特征相结合的研究方法，建立了驱动模式这个新概念，在揭示驱动机理的基础上，掌握蜘蛛液压驱动技术，以其为依据行功能仿生，高效再现捕鸟蛛液压系统的卓越性能。项目的研究成果有助于优化现有液压驱动系统、发展新的液压驱动系统，可为探索生物能量高效利用的原理与能量传递的机制提供借鉴。.本项目取得了如下创新成果：.（1）通过运动学、动力学研究，探究蜘蛛不同步态情况下保证运动稳定性和侧向力稳定性等的运动控制原理，明确步足在运动过程的协调控制机制，分析了蜘蛛在液压驱动过程中能量转换规律和单位质量功率的消耗。.（2）考察运动学、动力学、结构、液压流量、驱动模式等因素在高效驱动中的权重，建立蜘蛛液压系统的生物模型。以再现蜘蛛内流动规律为目标设计了一套仿生液压系统。.（3）进行功能仿生探索，设计了一种具有高功率密度的仿蜘蛛一体化双向运动关节，其应用到的仿肌肉柔性驱动器可满足生物肌肉的运动变化规律，开发了一款多介质环境下具备快速机动能力的新型智能液压仿生驱动装备。.发表SCI收录学术论文11篇（均已标注），其中，负责人为第1责任作者的8篇，第1责任作者EI收录学术论文1篇，申报国家发明专利3件。培养研究生7人，参加国际会议5人次。