仿生流体力学实验中的运动控制系统

在搭建仿生流体力学实验平台的过程中,针对仿生模拟运动要求高精度、多自由度等特点建立了一套运动控制系统,能够实现(最多)4轴同步控制,经测试满足实验精度要求.     

蜜蜂悬停飞行控制的仿生力学研究

研究蜜蜂悬停飞行的控制问题.用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅体的控制导数;用特征模态分析方法分析控制特性.文中δu,δω,δq和δθ分别为水平方向速度,垂直方向速度,俯仰角速度和俯仰角度的扰动量;δ(φ)和δ(φ)分别为拍动幅度和拍动平均角增量;δα1表示上、下拍迎角同时增加的增量;δα2表示下拍迎角增加(或减小)而上拍迎角减小(或增加)的增量.获得以下结果:(1)悬停飞行时,改变Φ和α1主要产生垂直力的变化;改变φ主要产生俯仰力矩的变化;改变α2主要产生水平力及俯仰力矩的变化.(2)蜜蜂悬停飞行的纵向扰动运动由3个特征模态构成:不稳定振荡模态,快衰减模态和慢衰减模态;为实现稳定的悬停飞行,不稳定振荡模态和慢衰减模态需要控制.为控制不稳定振荡模态,以δ(φ)(或δα2)反馈δu,δq和δθ这3个量的某种组合便可;为控制慢衰减模态,以δ(φ)(或δα1)反馈δω便可.这就是说,该昆虫只需用控制变量δ(φ)和δ(φ)(或δ(φ)和δα2,δα1和δ(φ)1,δα1和δα2),便可稳定地悬停(当然也可4个控制变量都用).     

龙虱吸盘超微结构与吸附能力研究

雄性龙虱的前足为抱握足,依靠附节上的吸盘产生吸附力以挟持雌虫完成交配。本文采用扫描电镜(SEM)研究东方龙虱吸盘的超微结构,包括微吸盘、吸管、刚毛等,发现微吸盘的几何形状独特,形似人足。利用生物信号采集处理系统,分别测试了龙虱吸盘在玻璃和龙虱鞘翅表面上的吸附能力。体重1.2 g的龙虱吸盘吸附在玻璃面时,法向和切向吸附力平均值分别为43.2 mN和109.1 mN,最大值分别为97.2 mN和156 mN;吸附在鞘翅表面时测得最大切向吸附力约213 mN,相当于昆虫自身体重的17倍。     

神奇的“机器蛇”

蛇形机器人 “机器蛇”（Machinesnake）是一种蛇形仿生机器人,具有蛇类的外观体态、而且能像蛇一样蜿蜒爬行,向前运动。机器蛇柔韧性很强,能够抵达很多其他机械装置都无法到达的区域;如果将“机器蛇”的一端固定,那么它就变成一个具有冗余自由度的操作手,可以完成各种复杂的抓取动作,如在狭小的空间以及复杂环境下的避碰操作等。蛇形机器人在军事、民用和航天领域都具有巨大的应用前景。     

基于图形法的仿生拓扑优化方法

针对图形系统自动生成图形拓扑形式的优势,提出了一种以隐式方式表征结构拓扑形式的分步拓扑优化设计方法。该分步优化方法首先以基结构法（ground structure method）的计算结果为基础,并通过均匀化方法得到设计区域内的离散拓扑信息,利用第一步所得的拓扑数据指导分形系统中每一级新增拓扑结构的生长方向,以类似细胞分裂生长的形式完成整体结构拓扑形式生成。最后以参数化建模方式完成模型的结构有限元的批量计算,并结合进化算法,完成对设计模型的优化。其中第一个案例通过本文仿生方法在多目标优化方法下得到了近似Michell结构的最优拓扑结构,第二个方案中机翼蒙皮的屈曲载荷系数提升了10.61%,并且质量降低了10.85%,验证了本文方法在类平面结构拓扑优化方面的可行性。      

胸鳍扑翼式机器鱼的设计及水动力实验

提出了一种基于胸鳍拍动推进的仿生机器鱼的设计模型,并对其进行了水动力实验研究.首先根据仿生对象的胸鳍运动和结构特点设计了由直流伺服电机驱动的扑翼式机器鱼,然后设计了推力测试实验装置,在北京航空航天大学机器人所的低速水洞中完成了机器鱼的推力和功耗测试实验,获得了推力系数和效率随Sr(斯特劳哈尔数)变化的曲线.实验结果表明最大推力系数和效率都在Sr=0.4时达到,该结果与前人关于游动和飞行生物保持高效推进时Sr的范围一致.机器鱼的自由航行实验进一步验证了水洞测力实验结果,最大航行速度可达0.64 m/s,约1.5倍身长比,相比国内外的同类仿生机器鱼具有较大的速度优势.实验结果表明:该仿生设计模型可以很好地模拟牛鼻鲼的推进方式,较大提高胸鳍扑翼式机器鱼的速度,为仿生水下航行器的设计提供了一种思路.      

一种基于腹足动物运动机理的介入机器人

在对腹足动物运动机理研究的基础上,基于仿生学原理提出一种介入机器人设计方案.通过理论建模及实验手段对机器人仿生设计效果及运动性能进行研究.结果表明:对粘液功能的模拟方案正确;机器人正常运行速度由直线微马达伸缩速度决定,但过快的微马达运动方向变化会导致机器人运行效率的降低.     

基于动态混合网格的双鱼串列巡游数值模拟

观察研究发现,在鱼类的群游中,后鱼可以利用前鱼尾迹中有利的涡结构来增大自己的推力,减少功耗.本文利用作者以往发展的动态混合网格生成技术和相应的不可压缩流非定常计算方法,在单鱼巡游数值模拟的基础上,数值模拟了双鱼串列巡游的非定常流动,分析了摆动频率、摆动相位差以及流向间距对推力、功耗等流体动力学特性的影响.     

小翼羽掠角对机翼增升效果的影响

鸟类会通过抬起其翅膀前缘3至4根长度较短的羽毛（小翼羽）来抑制失速和增加升力,并根据不同飞行状态改变小翼羽与翅膀之间的掠角。为应对大迎角下的机翼失速问题,本文结合风洞测力和粒子图像测速实验研究了小翼羽掠角对机翼增升效果的影响。风洞测力实验结果表明,相比于无前掠的小翼羽,适当前掠的小翼羽对机翼的增升效果更好且不会增加机翼阻力。平面粒子图像测速和体视粒子图像测速实验表明,适当的前掠角能够增强小翼羽产生的前缘涡的强度,并扩大前缘涡增升的有效机翼迎角范围,最终导致适当前掠的小翼羽对机翼的增升效果更好。