Осваивая Движение:
Основы раскрыты

Биологический мир всегда был важным источником знаний для технологического развития человека. Животные эволюционировали на протяжении миллионов лет, развивая характеристики, которые адаптируются к их окружению. Люди вдохновлялись этими замечательными чертами животных, находя решения реальных задач в инженерии, военном деле, научных исследованиях и других областях. Применение биомимикрии значительно продвинуло цивилизацию, что можно увидеть в дизайне кораблей, основанном на форме рыб, или в конструкции крыльев самолетов, моделируемых по образцу птичьих крыльев.

Бионика включает в себя проектирование и производство более эффективных машин, подражая паттернам движения и структуре тел биологических организмов, интегрируя такие дисциплины, как биология, биомеханика, медицина, механическая инженерия, автоматическое управление и электронные технологии.

Бионика быстро развивалась в последние годы и широко используется в военной, научной, медицинской и аэрокосмической сферах для замены или помощи людям в экстремальных условиях. Например, популярные четвероногие роботы Boston Dynamics последних лет.

Компания Festo запустила разнообразие бионических роботов в качестве комплексной продуктовой линии.

По мере углубления исследований животных и усовершенствования научного оборудования простой имитации формы животных уже недостаточно для удовлетворения требований. Исследователи начали изучать характеристики движения животных.

Анализ характеристик движения является необходимым условием для проектирования биомиметических устройств. Чтобы получить точные данные о движении животных, всё больше исследовательских групп выбирают использование пассивных оптических систем захвата движения. В экспериментах отражающие маркеры прикрепляются к целевому объекту, и для захвата отражающих маркеров используются инфракрасные оптические камеры. Данные о движении объекта получаются путём расчёта и восстановления 3D-пространственной информации о положении маркеров.

Исследователи из Университета Цзилинь изучают немецких овчарок и использовали восемь оптических камер для захвата движения, чтобы в реальном времени фиксировать 3D-пространственные координаты суставов собаки. Это предоставляет надежные данные для кинематического анализа. Анализируя timing различных походок, они стремятся понять кинематические характеристики походки немецкой овчарки и количественно оценить стабильность движений животного. Они разрабатывают кинематические и динамические расчетные модели для модели движения четырехлапого робота, который имитирует движения собаки. Эта работа направлена на предоставление теоретической базы для биомиметического дизайна и оценки стабильности четырехлапых роботов[1].

Исследовательская группа из Университета Цзилинь в основном сосредоточена на двух типах тихих сов: восточной сове-войне и сипухе, которые являются их объектами исследования. Они анализируют и сравнивают акустику бесшумного полета, морфологию крыльев и перьев, а также кинематику полета этих сов. Команда также проводит биомиметические исследования по характеристикам снижения шума этих сов, предоставляя биологические модели для технологий биомиметического снижения шума.

В экспериментах с птицами отражающие маркеры крепятся к ключевым частям крыльев, включая запястный сустав, основание переднего кромка и основание заднего кромка крыльев. С помощью камер 3D-моции для локализации этих отражающих маркеров собираются и анализируются кинематические параметры колебательного движения для таких видов, как ушастая сова, евразийская сова и сокол-канюк. В исследовании рассчитываются кинематические параметры (такие как частота колебаний и углы суставов) и их связь с траекторией полета (такими как путь кончика крыла).

Исследователи Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики изучили проблемы, с которыми сталкиваются роботизированные биомиметические сухие клеевые механизмы при переходах по поверхностям с внешними прямыми углами (такими как внешний переход по прямым углам на поверхности отсеков космических аппаратов). В своих экспериментах 18 отражающих маркеров были прикреплены к большому геккону, и для получения 3D-координат отражающих маркеров на основных суставах геккона использовались четыре камеры оптической системы захвата движений. Было создано биологическое модель для анализа траекторий движений каждой лапы, а также углов наклона, рыскания и крена в поясничном суставе.

Эксперимент выявил диапазон движения тазобедренного сустава большого геккона во время внешнего перехода под прямым углом и закон генерации траектории стопы. Изучив механизм координации движений геккона при внешнем переходе под прямым углом в глубину, была проведена структурная оптимизация биомиметического робота с сухим сцеплением, и на основе биологических принципов была реализована способность робота к переходу по внешней стене под прямым углом в смоделированной среде микрогравитации.

NOKOV Кейс клиента по захвату движения

Институт бионики Цзилиньского университета в Вэйхай

В Бионическом исследовательском институте Университета Цзилинь в Вэйхае исследователи, изучающие биологические прототипы и математическое моделирование, должны зафиксировать информацию о позе ящериц во время движения. Они прикрепили отражающие маркеры к телу и конечностям ящерицы и использовали оптическую 3D-систему захвата движения NOKOV для записи движения. Модуль постобработки вычисляет 3D-движущиеся траектории ног и позвоночника ящерицы, углы колебаний тела, а также скорость и ускорение во время движения. Затем исследователи могут использовать эти характерные точки для создания математической модели движения ящерицы.

Ссылки

[1] Тянь Вэйцзюнь. Исследование характеристик движения и модели движения собак породы немецкая овчарка [D]. 吉林大学, 2011.

[2] Чэнь Кун. Мorphological and Flight Kinematics Characteristics of Three Owl Species and Their Biomimetic Study [D]. Цзилиньский университет, 2012.

[3] Лю Ци. Биомиметическое исследование площади контакта и поведения адгезии геккона при внешних углах [D]. Нанкинский университет аэронавтики и астронавтики, 2019.