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蚯蚓直线运动的三轴地面反作用力:测量、分析和对机器人建模的影响

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Acta Mechanica Sinica 2024年第2期40卷 1-14页

作者：方虹斌师瑞徐鉴 Institute of AI and Robotics State Key Laboratory of Medical NeurobiologyMOE Engineering Research Center of AI&RoboticsFudan UniversityShanghai200433China

蚯蚓在狭窄受限环境中具有良好的移动性,但其在运动过程中与地面的三轴反作用力还未被深入研究.本文探讨了蚯蚓在直线运动过程中的三轴地反力特征及其对机器人建模的影响.具体地,本研究设计了一个基于应变片的三轴微型测力板来测量蚯蚓(... 详细信息

蚯蚓在狭窄受限环境中具有良好的移动性,但其在运动过程中与地面的三轴反作用力还未被深入研究.本文探讨了蚯蚓在直线运动过程中的三轴地反力特征及其对机器人建模的影响.具体地,本研究设计了一个基于应变片的三轴微型测力板来测量蚯蚓(***)在直线运动时的三轴地反力.通过建立地反力的时间历程与运动视频的对应关系,将蚯蚓的周期性运动划分为三个阶段,并从蚯蚓身体变形的角度解析了地反力在三个阶段的力学特征.本研究还对蚯蚓的地反力特征进行了统计分析,并建立了蚯蚓直线运动过程的阻力系数模型.以此为基础,本文还提出了与机器人节段/单元变形相关的阻力系数模型,为离散型和连续型仿蚯蚓机器人的动力学建模提供基础.本研究首次对蚯蚓运动过程中的mN级三轴地反力进行了测量、分析和建模,研究结果对蚯蚓运动生物力学、仿蚯蚓移动机器人设计和机器人-环境接触界面调控等具有重要的指导意义.

关键词：移动机器人直线运动运动视频运动生物力学应变片周期性运动环境接触界面调控

基于神经-肌骨-外骨骼耦合仿真框架的平地和上坡行走动力学分析

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力学学报 2024年第3期56卷 817-831页

作者：靳葳刘佳奇张琦炜方虹斌复旦大学智能机器人研究院上海200433 复旦大学义乌研究院浙江义乌322000 同济大学航空航天与力学学院上海200092

评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体... 详细信息

评估人体穿戴外骨骼后的运动性能是指导外骨骼硬件迭代和控制策略优化的重要依据.与传统的基于实验的评估相比,基于人-外骨骼耦合系统动力学仿真的评估避免了平台搭建和实地测试、实验数据分析处理的巨大人力和时间成本.此外,如将人体神经肌骨动力学纳入人-外骨骼耦合系统,动力学仿真还能够生成肌肉激活、肌肉力和关节力矩等实验中难以测量的生理学和生物力学信息,从而可以从肌肉发力的层面评估不同环境下穿戴外骨骼对人体运动的影响.本研究以人体肌骨-髋关节外骨骼耦合系统为研究对象,基于考虑人体神经肌骨动力学、足地接触和人-外骨骼交互作用的完整神经-肌骨-外骨骼耦合正向动力学仿真框架,对系统在平地和上坡(5.71°,10%)两种场景以0.8 m/s步速行走的动力学进行了比较研究.通过给定模型中的神经肌肉反射参数,综合考虑系统运动状态、肌肉收缩动力学、肌骨运动学、肌肉代谢、不同环境下的地反力和人机交互力等因素,并采用协方差矩阵自适应进化策略进行分阶段多目标优化,可以在不需要实验数据输入的条件下,高效完成全系统的动力学仿真.计算结果表明,所提仿真框架不仅能够生成包括肌肉激活、肌肉力、关节力矩和关节角度在内的完整生理学和生物力学信号,还能够反映和解释不同肌肉的激活模式随步行环境的适应性变化.此外还在与仿真情况一致的步行条件下进行了人体穿戴外骨骼行走测试,并进一步将肌肉激活数据与测得的肌电信号对比.结果表明,仿真与实验的肌肉激活结果保持了较高的相关性,并呈现出相对于地形坡度基本一致的变化规律;在上坡行走时,腘绳肌、臀大肌、髂腰肌和比目鱼肌的肌肉激活程度的RMS值均显著高于平地行走的情况,而股直肌与胫骨前肌的肌肉激活程度的RMS值则有所下降.上述结果表明,提出的动力学仿真框架可以在无实验数据输入的条件下有效且准确地捕捉在不同地形中行走时肌肉激活模式的定性差异.本研究为人体肌骨-外骨骼耦合系统在多场景下的行走仿真与性能评估提供了新的途径,也为外骨骼设计与控制策略的优化提供了理论参考和仿真分析方法.

关键词：下肢动力外骨骼动力学建模人机动力学肌肉骨骼模型肌肉激活

Tuning of Multi-stability Profile and Transition Sequence of Stacked Miura-Origami Metamaterials

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Acta Mechanica Solida Sinica 2023年第4期36卷 554-568页

作者： Haiping Wu hongbin fang Institute of AI and Robotics Fudan UniversityShanghai 200433China MOE Engineering Research Center of AI and Robotics Fudan UniversityShanghai 200433China Shanghai Engineering Research Center of AI and Robotics Fudan UniversityShanghai 200433China

Multi-stable origami structures and metamaterials possess unique advantages and could exhibit multiple stable three-dimensional configurations,which have attracted widespread research interest and held promise for applications in many *** a great deal of attention has been paid to the design and application of multi-stable origami structures,less knowledge is available about the transition sequence among different stable configurations,especially in terms of the fundamental mechanism and the tuning *** fill this gap,with the multi-stable dual-cell stacked Miura-ori chain as a platform,this paper explores the rules that govern the configuration transition and proposes effective methods for tuning the transition ***,by correlating the energy evolution,the transition paths,and the associated force-displace-ment profiles,we find that the critical extension/compression forces of the component cells play a critical role in governing the transition ***,we summarize the rules for predicting the transition sequence:the component cell that first reaches the critical force during quasi-static extension or compression will be the first to undergo a configuration *** on these findings,two methods,i.e.,a design method based on crease-stiffness assignment and an online method based on internal pressure regulation,are proposed to tune the stability profile and the transition sequence of the multi-stable origami *** crease-stiffness design approach,although effective,cannot be employed for online tuning once the prototype has been *** pressure-based approach,on the other hand,has been shown experimentally to be effective in adjusting the constitutive force-displacement profiles of the component cells and,in turn,tuning the transition sequence according to the summarized *** results of this study will advance the state of the art of origami mechanics and promote the engineering applications of mu

关键词： Origami metamaterial Bi-stability Origami mechanics Pneumatic origami Snap-through transition

Snake-worm: A Bi-modal Locomotion Robot

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Journal of Bionic Engineering 2022年第5期19卷 1272-1287页

作者： Zhouwei Du hongbin fang Jian Xu School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics Tongji UniversityShanghai 200092China Institute of AI and Robotics Fudan UniversityShanghai 200433China Engineering Research Center of AI and Robotics Ministry of EducationFudan UniversityShanghai 20043China Shanghai Engineering Research Center of AI and Robotics Fudan UniversityShanghai 200433China

Inspired by the morphology characteristics and the locomotion mechanisms of the earthworm,and the snakes’morphology characteristics and motivated by the demands for multi-modal locomotion robots in variable working environments,this paper presents a novel bi-modal robot named as Snake-Worm Locomotion Robot(SWL-Robot).Two fundamentally different locomotion mechanisms,the earthworm’s peristaltic rectilinear locomotion and the snake’s lateral undulation,are synthesized in the SWL-Robot *** detail,the SWL-Robot consists of six earthworm-like body segments interconnected by rotational joints and a head segment equipped with a couple of independently driven *** actuating the segments following a peristaltic wave-like gait,the robot as a whole could perform earthworm-like rectilinear *** robot could also perform snake-like undulatory locomotion driven by differential motions of the wheels at the head *** understand the relationship between the design parameters and the robotic locomotion performance,kinematic models of the SWL-Robot corresponding to the two locomotion modes are *** locomotion behaviors of the SWL-Robot are achieved,including the peristaltic locomotion inside a tube,multiple planar motions on a flat surface,and a hybrid motion that switches between the tube and the flat *** shows that the measured trajectories of the SWL-Robot agree well with the theoretical *** SWL-Robot is promising to be implemented in tasks where both tubular and flat environments may be encountered.

关键词： Multi-modal locomotion Peristaltic locomotion Planar locomotion Worm-like robot Snake-like robot

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N次幂下S-凸函数和其性质研究

池州学院学报 2024年第3期38卷 6-9页

作者：刘明术方宏彬黄山职业技术学院安徽黄山245000 安徽大学数学与计算科学学院安徽合肥230039

以凸函数、S-凸函数、平方凸函数、平方S-凸函数的定义和性质为研究基础,根据从平方凸函数到平方S-凸函数的演变推进过程,采用了凸函数概念的代数不等式形式,给出了N次幂下S-凸函数的概念,并对其判别定理和性质进行了讨论,定义并证明了... 详细信息

以凸函数、S-凸函数、平方凸函数、平方S-凸函数的定义和性质为研究基础,根据从平方凸函数到平方S-凸函数的演变推进过程,采用了凸函数概念的代数不等式形式,给出了N次幂下S-凸函数的概念,并对其判别定理和性质进行了讨论,定义并证明了N次幂下S-凸函数的Jensen型不等式。研究表明,N次幂下S-凸函数包含了凸函数、平方凸函数、平方S-凸函数的性质,是凸函数的一种广义凸函数的推广,开辟了全新的推广途径。

关键词： Jensen不等式 S-凸函数平方凸函数平方S-凸函数判别定理

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基于机器学习的格点气温预报订正方法

气象 2024年第1期50卷 103-114页

作者：方鸿斌王珊珊王晓玲谭江红鲁礼炳武汉中心气象台武汉430074 湖北省襄阳市气象局襄阳441022 湖北省荆州市气象局荆州434022

使用2017年9月至2021年3月国家级业务化运行的智能网格实况分析产品和欧洲中期天气预报中心全球模式(EC)产品,根据湖北省的地理分布特征构建6个分区,采用基于LightGBM机器学习算法建立的气温预报方法,生成湖北省0.05°×0.05°格点气温... 详细信息

使用2017年9月至2021年3月国家级业务化运行的智能网格实况分析产品和欧洲中期天气预报中心全球模式(EC)产品,根据湖北省的地理分布特征构建6个分区,采用基于LightGBM机器学习算法建立的气温预报方法,生成湖北省0.05°×0.05°格点气温预报产品。利用2021年4—9月的预报产品和格点实况资料进行检验,结果表明:基于机器学习的气温预报方法(MLT)取得了较好的预报效果,其在0~72 h时效内优于中央气象台下发的气温精细化指导预报(SCMOC)和EC产品;MLT在山区的误差较平原大,但山区的订正幅度大于平原,日最高气温的订正幅度大于日最低气温的订正幅度;4—9月MLT、SCMOC、EC产品的平均绝对误差(MAE)日变化都呈现了白天偏高、夜间偏低、午后凸起的单峰特征,MLT的MAE值较SCMOC和EC产品的更低,并且在转折性天气中仍具有优势;站点检验与格点检验结论一致,基于格点建模的气温预报产品对站点预报同样得到了订正。机器学习在格点气温的模式订正方面可以作为一个行之有效的手段。

关键词：格点气温机器学习特征选择分区建模

The Generalized Noncentral Wishart Distribution

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Journal of Mathematical Research with Applications 1989年第4期 479-487页

作者： Teng Chengye, fang hongbin Deng Weicai(Zhongshan University, Guangzhou) (Jinan Univarsity, Guangzhou)

In this paper, we have definited the generalized noncentral Wishart distribution for elliptically contoured distributions. Under some conditions, we have obtained its probability density function, the density function... 详细信息

关键词： LEC

Reconcile the contradictory wettability requirements for the reduction and oxidation half-reactions in overall CO_(2) photoreduction via alternately hydrophobic surfaces

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Journal of Energy Chemistry 2024年第6期93卷 202-212,I0006页

作者： Hailing Huo Ting Hu Chengxi Huang fang Wu Tongyu Wang Xuan Liu Liang Zhang Qiang Ju Zhiqing Zhong hongbin Xing Erjun Kan Ang Li MIIT Key Laboratory of Semiconductor Microstructure and Quantum Sensing Nanjing University of Science and TechnologyNanjing 210094JiangsuChina College of Information Science and Technology Nanjing Forestry UniversityNanjing 210037JiangsuChina

The overall photocatalytic CO_(2) reduction reaction(OPCRR)that can directly convert CO_(2) and H_(2)O into fuels represents a promising renewable energy conversion *** a typical redox reaction,the OPCRR involves two half-reactions:the CO_(2) reduction half-reaction(CRHR)and the water oxidation half-reaction(WOHR).Generally,both half-reactions can be promoted by adjusting the wettability of ***,there is a contradiction in wettability requirements for the two ***,CRHR prefers a hydrophobic surface that can accumulate more CO_(2) molecules on the active sites,ensuring the appropriate ratio of gas-phase(CO_(2))to liquid-phase(H_(2)O)***,the WOHR prefers a hydrophilic surface that can promote the departure of the gaseous product(O_(2))from the catalyst surface,preventing isolation between active sites and the reactant(H_(2)O).Here,we successfully reconciled the contradictory wettability requirements for the CRHR and WOHR by creating an alternately hydrophobic *** was achieved through a selectively hydrophobic modification method and a charge-transfer-control ***,the collaboratively promoted CRHR and WOHR led to a significantly enhanced OPCRR with a solar-to-fuel conversion efficiency of 0.186%.Notably,in ethanol production,the catalyst exhibited a 10.64-fold increase in generation rate(271.44μmol g^(-1)h~(-1))and a 4-fold increase in selectivity(55.77%)compared to the benchmark *** innovative approach holds great potential for application in universal overall reactions involving gas participation.

关键词： Hydrophobic Hydrophilic Gas transport Overall CO_(2)photoreduction Z-scheme

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多稳态串联折纸结构的非线性动力学特性

力学学报 2019年第4期51卷 1110-1121页

作者：邱海方虹斌徐鉴同济大学航空航天与力学学院上海200092 复旦大学智能机器人研究院上海200433

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料... 详细信息

折纸结构和折纸力学超材料由于其无穷的设计空间、出色的变形能力、超常规力学特性和广泛的应用前景,最近受到了学术界和工程界的广泛关注.特别地,某些折纸结构单胞由于具有独特的双稳态特性而获得深入研究.注意到折纸结构和折纸超材料通常由多胞构成,但多胞结构的多稳态特性及其诱发的动力学行为尚不清晰,相关的研究还较少.本文在双稳态Miura-ori堆叠结构单胞的基础上,研究由两个异构双稳态单胞基于力平衡串联而成的结构.静力学分析指出,双胞串联结构具有4个定性不同的稳定构型,呈现出多稳态特征.动力学分析指出,双胞串联结构在4个稳定构型处具有显著不同的固有频率特征.逐渐增大激励幅值,双胞串联结构的多稳态特性诱发出类型丰富的复杂非线性动力学响应,包括亚谐、超谐甚至混沌的阱内和阱间振动.根据幅值特征,我们将稳态动力学响应分为九类,并开展了动力学响应的吸引盆和吸引盆稳定性分析.结果表明,不同类型动力学响应的吸引盆稳定性(即出现概率)显著不同,且与激励幅值密切相关.本文得到的多稳态双胞串联结构的静力学特性、动力学响应的分类,以及吸引盆稳定性相对于激励幅值的演化规律,对深入认识多稳态折纸结构的非线性动力学特性,调控非线性动力学响应具有参考价值和指导意义.

关键词：折纸结构机械超材料多稳态吸引盆吸引盆稳定性