一种仿生附着装置柔顺关节的优化设计

为提高仿生附着装置在捕获空间非合作目标物时对目标运动参数的适应性,设计了一种3自由度串联柔顺关节,可通过关节嵌入系统后的协调运动来辅助装置被动适应运动目标物姿态,并在运动过程中基于弹簧、阻尼缓冲器组成的关节柔顺机构及其能量耗散原理来降低目标物动能。为验证、优化关节性能,通过ADAMS虚拟样机软件建立了基于柔顺关节的仿生附着装置捕获过程运动学与动力学模型,分析了柔顺关节3组弹簧刚度系数、黏滞阻尼系数对非合作目标物捕获状态的影响,并利用ADAMS-iSIGHT联合仿真平台,通过多岛遗传算法对上述弹簧、阻尼器的重要参数进行了优化,极大提高了柔顺关节的能量耗散效果,同时保证了可捕获目标物运动参数达到规定要求。      

蝴蝶悬停飞行流体力学实验模型的仿生设计

由于蝴蝶形态学上的特点(翼面宽大,展弦比小,翼型复杂)以及其特殊的飞行方式(拍动频率低,翅膀几乎垂直于身体拍动;翅膀没有翻转运动,但在翅膀拍动时身体有明显的俯仰运动和振动),蝴蝶成为探索昆虫飞行高升力机理的特殊研究对象.为了深入研究蝴蝶悬停飞行时的流场和高升力机理,设计制作一套模拟蝴蝶悬停飞行的流体力学实验模型显得尤为重要.介绍一种新设计的电控蝴蝶实验模型,该模型与真实的蝴蝶一样,包含左右翅膀和身体,并且可以实现精确定位和模拟蝴蝶不同的运动模式,包括翅膀的拍动、身体的俯仰运动和振动.研究小组应用此实验模型进行流动显示实验和PIV(Particle Image Velocimetry)实验,对蝴蝶的悬停飞行进行研究.      

六足机器人避障功能的研究

通过将红外线传感器安装在腿部最后一个肢节上,实现了六足机器人避障功能。同时对使用的红外线距离传感器的结构、传感器的探测空间以及对传感器干扰的处理进行了分析讨论。实验证明,该传感器布局方案简单、经济实用、性能可靠。     

激光粉末床熔融成形仿生梯度多孔结构弯曲性能

梯度材料结构具有优异的力学性能和能量吸收性能,在航空航天、医学植入体、吸能结构等方面具有广阔的应用前景。通过模仿竹子梯度结构,提出了一种梯度极小曲面多孔结构设计方法,并基于该方法设计了线性梯度Gyroid结构和拓扑密度梯度Gyroid结构。利用激光粉末床熔融技术制备了上述多孔结构,并通过弯曲试验和数字图像相关技术对比研究了均匀结构与梯度结构的弯曲性能差异。研究结果表明,Gyroid均匀多孔结构的弯曲弹性模量与孔隙率呈现线性函数关系,且在80%～85%之间具有弯曲断裂临界孔隙率;而线性梯度多孔结构则具有类似竹子的非对称性弯曲行为,当孔隙率以70%→90%形式分布时具有最高的挠曲韧性且无弯曲断裂现象,而以90%→70%形式分布时则具有最高的弯曲强度,比80%Gyroid均匀结构弯曲强度高出36.08%;基于拓扑优化密度云的梯度Gyroid结构具有最优的弯曲弹性模量。本研究工作验证了孔隙率梯度分布模式会改变结构的弯曲变形和断裂模式,可以通过合理的梯度结构设计获得轻质高强抗弯结构。     

空间可展开薄膜遮光罩设计与分析

对于觅音计划的光学系统而言,太阳光是其杂散光的首要来源,是影响成像质量的重要因素。通过将仿生技术和折纸理论相结合,完成光学系统的遮光罩设计。依据花朵开放过程,获取遮光罩的拓扑构型,完成遮光罩折展设计,并根据光学系统任务需求,优化遮光罩拓扑构型。采用底面为正六边形的拓扑构型时,遮光罩的折展比为8,且折叠后的包络空间和卫星星体所占用的空间相重合,能够更好地利用空间。选用两层薄膜作为遮光结构,一方面提高了遮光性能,另一方面遮光罩本身具有一定的隔热功能,更好地保护了光学系统。最后通过ABAQUS仿真模拟薄膜的展开过程,并进行应力水平分析。结果表明,遮光罩薄膜展开过程顺利,展开后最大应力为40.63MPa,满足聚酰亚胺薄膜材料的使用要求。     

一种适应火星主要地形的航天器仿生足设计

火星地形以大面积的沙漠和崎岖陡峭的山地为主,传统火星车容易陷入沙土或难以翻越障碍。为提高火星探测任务的成功率和探索范围,文章设计一种适应火星主要地形的航天器仿生足。该仿生足兼顾沙漠和山地,具备大面积多弧形足底的柔性垫,可有效在沙漠中起到防滑防陷的作用;还具备可多向安装的仿生钩爪,支持足式火星机器人攀越崎岖山地。开展多弧形柔性足垫在沙地中的受力分析,论证其优越的防滑防陷功能。构建钩爪与大倾角地形作用的球接触力学模型,分析总结其在不同角度下建立有效抓附效果的规律。制作足部实物进行性能测试,得到了单足最佳钩爪的配置为6根钩爪,弯曲角为125°。开展足式火星机器人的运动仿真试验,验证了仿生足的越野性能和减震性能。试验结果和理论分析表现一致,仿生足具备针对火星探测的应用前景和研究价值。     

仿生导航技术综述

仿生导航技术是一种模仿动物导航机理的新型导航技术,涉及认知科学、机器学习、计算机视觉和信息融合等多个学科。仿生导航因具有自主性好、自适应性强等特点,近年来成为了导航领域的研究热点之一。首先阐述了仿生导航的内涵,然后从仿生导航传感器技术和仿生导航方法两个方面简要介绍了国内外研究现状和发展趋势。其中,仿生导航传感器技术包括了仿生光罗盘、仿生磁罗盘、仿生复眼等内容;仿生导航方法主要涉及导航经验知识的表达与机器学习、仿生多源异质导航信息融合、面向任务的仿生路径规划与导航等。最后,对仿生导航技术进行了总结,并对未来发展进行了展望。     

基于像素化偏振芯片的仿生偏振光罗盘技术

仿生光罗盘是一种通过借鉴动物视觉器官感知太阳偏振光信息(包括月光)的机理来获得载体航向信息的航向传感器。首先介绍了面向多光谱的像素化的偏振芯片结构参数化设计准则,给出了一种易于集成和小型化的仿生光罗盘总体设计方案,并对仿生光罗盘的主要误差源进行了分析;随后,提出了一种基于天空偏振图像解算载体航向的新方法,并对其环境适应性进行了初步分析;最后,对仿生光罗盘样机进行了静态实验和车载实验,在晴朗天空背景下仿生光罗盘的定向精度优于0.5°。     

多自由度仿生扑翼飞行机器人结构设计与分析

旨在设计一种能够飞行的大型仿生扑翼飞行机器人,以海鸥作为设计原型进行飞行方式和运动规律分析,建立结构设计和数学模型,实现多自由度仿生扑翼飞行。对设计结构进行运动学分析,使仿生飞行结构更加合理且符合基本气动性能。通过建立三维模型,将其运动学仿真结果与理论结果进行对照分析,证明了理论分析的正确性和设计结构的合理性。