摘要：背景:有报道通过建立软骨两相模型,数值模拟循环压缩载荷下固体基质的应变,在细胞水平上研究了机械刺激对关节炎的影响。但考虑软骨实际运动所受到变化的载荷和运动角度方面的研究较少。目的:揭示膝关节软骨的压缩、滚动、滑动或旋转以及复合载荷下的力学状态。方法:建立考虑钙化层、软骨下骨作用的关节软骨模型,使模型更接近完整的软骨天然生理结构。膝关节运动为胫骨平台与股骨远端的相对运动,简化为一刚化球体作用在平面软骨的几何模型。考虑屈伸、内/外翻及内/外旋转等运动特性,建立人行走时膝关节可实现复合载荷的三维有限元模型。研究膝关节软骨的压缩、滚动、滑动或旋转及复合载荷下的数值分析。结果与结论:(1)模拟步态过程中,关节软骨所受的最大应力区域分布在软骨下骨;(2)随着压缩过程的进行,Mises应力、应变与孔隙压力随压缩量的增大而增大,且增幅呈非线性减小的趋势;(3)结果发现,滚压载荷与总的复合载荷最为接近,可为组织工程体外功能化培养实验和方案的设计提供数据参考。

摘要：为解决室内三维地图场景中移动机器人的路径规划与避障问题,将机器人实际体积纳入考虑范畴。定义机器人为正方体包围盒,讨论了机器人体积与周围障碍物的关系,提出了安全区域的概念,并对A*路径规划算法进行拓展。为解决三维点云节点数量大难以进行处理的问题,将数据格式转换成了八叉树结构,并在八叉树上创建了最优路径搜索方案,以提升数据处理效果。通过室内三维地图场景中移动机器人的最优路径搜索,实验结果表明上述方法能够在三维场景里有效解决机器人的路径规划与避障问题。

摘要：目的长期太空飞行,可导致宇航员失重性骨质疏松。通过模拟研究不同重力环境下骨单位内骨陷窝-骨小管系统(LCS)中营养物质(粒子)的输运情况,从生物力学角度揭示宇航员太空中发生不可逆骨质疏松的深层次原因。方法应用有限元软件COMSOL建立长骨骨干密质骨骨单位含二级孔隙结构(哈弗氏管,骨陷窝-骨小管系统)的三维轴对称流固耦合有限元模型,并应用其粒子追踪功能,模拟研究在微重力(0g)、地球重力(1g)及高G(2~8g)环境下,骨细胞代谢所需营养物质在LCS内随组织液流动的输运情况。考虑骨单位中微动脉的脉动压力并通过施加频率为0.5 Hz的循环压缩载荷模拟人体运动对骨产生的生理载荷。加载初始时刻,在哈弗氏管与LCS连接处释放一定数量的粒子,通过追踪粒子在LCS内输运所能达到的到位置及相应的浓度分析人体运动时重力场对营养物质输运的影响规律。结果由模拟结果可知,加载一段时间后,微重力环境下LCS内粒子的输运速度较慢,且粒子运动过程中始终为横向运动;组织液中粒子输运速度随重力加速度值增大呈线性增加,g值越大,粒子达到各位置陷窝所需时间越短且浓度越大,此时粒子的运动方向兼有横向和纵向。结论由上述结果可知,LCS内物质(粒子)的输运显著依赖于所处的重力场环境,微重力环境下(0g),若骨细胞代谢所需的营养物质长期供应不足,势必导致骨细胞的生物学功能失衡甚至凋亡,从而引起破骨细胞活跃造成大量骨丢失。该研究有望从生物力学方面解释微重力下组织液输运减少是导致航天员骨质疏松的重要原因。

摘要：目的获得不同加载条件下关节软骨的棘轮应变,建立预测棘轮应变的理论模型,并对软骨的棘轮应变进行预测。方法将猪股骨远端滑车部的新鲜关节软骨作为研究对象,采用非接触式数字图像技术,测试循环压缩载荷下关节软骨的棘轮应变;建立预测棘轮应变的理论模型,对不同应力幅值和加载率下软骨的棘轮应变进行预测,并比较预测结果与实验结果。结果随循环圈数的增加,软骨的棘轮应变先快速增长然后趋于稳定;定加载率下,软骨的棘轮应变随应力幅值的增大而增大;定应力幅值下,棘轮应变随加载率的增大而减小。实验结果与建立的理论模型预测结果吻合良好。结论关节软骨的棘轮应变与应力幅值成正比,与加载率成反比。建立的理论模型可以预测软骨的棘轮行为,同时为组织工程软骨的构造提供指导。

摘要：针对2维主成分分析(2DPCA)算法无法实现在线特征提取及无法体现完整数据结构信息等问题,该文提出一种基于图像协方差无关的增量式2DPCA(I2DPCA)算法。该算法无需对图像协方差矩阵进行特征值分解奇异值分解,复杂度将大为降低,提高了特征提取速度。针对I2DPCA仅提取了横向特征的问题,又提出一种增量式行列顺序2DPCA(IRC2DPCA)算法,该算法对I2DPCA的特征矩阵再次进行纵向特征提取,保留了图像的横向与纵向结构信息,实现了行列两个方向上的特征提取与数据降维。最后,以自建的物块数据集、通用的ORL和Yale人脸数据集分别进行对比实验,结果表明,该文算法在收敛率、分类率及复杂度等性能方面均得到了显著提高,其收敛率达到99%以上,分类率可达97.6%,平均处理速度为29帧/s,能够满足增量特征提取的实时处理需求。

摘要：目的研究软骨在压缩载荷作用下的损伤扩展行为和演变机制。方法采用有限元方法建立微缺损的纤维增强多孔弹性的软骨模型,对压缩载荷作用下损伤演化过程进行模拟和参数研究,获得不同损伤扩展阶段软骨基体和纤维的应力、应变分布规律。结果软骨损伤表层和损伤前沿的应变随压缩量的增大而显著增大,两者呈明显的正相关性;在软骨演化过程中同时存在向深层和左右两侧扩展的趋势;软骨中的裂纹和损伤优先沿着纤维切线方向延伸,随着损伤的加剧,软骨横向扩展度明显快于纵向扩展速度。结论软骨损伤演化过程与纤维的分布有着密切的关系,基质和纤维的损伤相互促进,骨演化速度和程度在不同层区和不同阶段存在变化。研究结果可为软骨创伤性退变的预测及修复提供定性的参考,为临床解释损伤退变病理现象和治疗提供理论依据。

摘要：为了解决大型舰船驻泊时系泊缆绳瞬时张力过大而发生断裂的问题,提出一种岸基恒张力系泊装置,采用容积变化式的恒张力液压控制原理,主要内容包括设计要求及工作原理、理论计算及关键元器件选型、机械结构设计、液压系统设计、系统仿真。分析结果表明:此系泊装置在不改变现有系泊设施和缆绳的情况下,可以将系泊缆绳张力控制在一个相对固定的范围内,从而可以确保缆绳不发生断裂,并且可单独安装,需要的能量很少,经济实用。

摘要：以一种可实现高速运动的4自由度并联机器人为研究对象,采用矢量法建立了机器人运动学逆解模型,并提出了具有显示表达式的运动学正解解析解法,因无需迭代而具有较高的计算效率。采用4种运动规律分别规划末端抓放路径,并对比分析了关节角加速度与角跃度随时间的变化规律。在此基础上,提出了基于SAMCEF的机器人刚柔耦合仿真流程,并分析了不同运动规律的残余振动幅值变化,为优选可兼顾关节驱动力矩平滑性与末端残余振动收敛性的运动规律提供了解决思路。

摘要：下肢外骨骼康复机器人动力学模型的准确建立,是实现机器人精确控制的前提条件。文中将下肢外骨骼机器人简化为7杆模型,并将下肢运动周期划分为单腿支撑和双腿支撑两个阶段,采用拉格朗日方法建立外骨骼康复机器人系统的整体动力学模型。通过人体下肢运动的实时动作捕捉及其运动轨迹的数据分析,得到人体正常行走时的关节运动规律,推导出各个关节所需的驱动力矩。利用SolidWorks建立机器人三维简化模型并导入ADAMS软件进行动力学仿真,验证了理论推导的准确性,为机器人电机的选型和控制系统的设计提供了理论依据。

摘要：针对可重构机械臂的动力学系统中存在的不确定性,提出了基于模糊自适应算法的控制律来自适应逼近系统中存在的摩擦和外部扰动,实现对可重构机械臂的补偿控制。为了提高控制律的补偿精度和抗干扰性,减小算法的逼近误差,在控制律中添加了鲁棒项。通过Lyapunov稳定性理论证明了提出的模糊自适应控制律和鲁棒模糊自适应控制律能在可重构机械臂动力学中含有摩擦和外部扰动时保证系统的稳定性。以三自由度可重构机械臂为例设计了可重构机械臂的控制器,仿真结果显示该算法具有良好的轨迹跟踪性能,验证了该算法的有效性和可行性。