大变形柔性铰链的静刚度分析及应用

大变形柔性铰链可由弹性较大的橡胶材料制成,而橡胶材料的应变-应力关系不符合胡克定律,其关系可由应变-能量函数关系式导出,为此,采用Mooney-Rivlin模型对形变能量函数进行简化,通过适当选取材料常数的比值,对其非线性的应力-应变关系进行分段线性化,导出圆角型柔性铰链在大变形时转角刚度的近似计算公式.通过有限元仿真对近似计算公式进行了验证.在此基础上,应用大变形柔性铰链构造扑翼式微型飞行器中的柔性胸腔,由转动电机作为驱动器,利用柔性铰链的变形实现翅膀的扇翅运动,实际应用效果表明可有效增大扇翅角并提高能量利用率.     

基于特征运动观测的蝴蝶前飞规律及样机验证

为了研究蝴蝶扑翼飞行的原理，研制低频扑翼的仿生器，通过蝴蝶飞行运动的生物学观测，提出蝴蝶的3种特征运动状态，分析扑翼运动、胸部俯仰运动及腹部摆动运动之间的相位关系，构建蝴蝶前飞运动学模型。基于“杆-膜”仿生翼的新工艺和定制的机载飞控系统，研制轻量化的仿生蝴蝶扑翼飞行器样机，研究蝴蝶样机的飞行控制策略。通过六维力传感器对样机做地面动力学测试，利用高速摄像机对样机飞行进行运动学跟踪，证明了基于特征运动状态的蝴蝶前飞规律和原理样机研制的有效性。     

蜻蜓爬升过程飞行特征实验研究

昆虫真实飞行过程中的飞行特征是仿生流体力学机理研究的基础和关键。本文针对蜻蜓(黄蜻)大、小爬升角2种飞行状态的运动规律和动力学特性展开研究,根据蜻蜓的趋光特性诱导其进行爬升飞行。采用2台光轴相互垂直的高速摄像机进行拍摄,通过特征点匹配和三维重构方法准确地捕捉了2种爬升飞行过程中蜻蜓身体和翅膀的运动参数,并进行动力学特性对比分析。实验结果表明:蜻蜓在进行大爬升角爬升时需要的上升力大于向前的推力,最大拍动幅度比小爬升角爬升时约大40%;扑翼频率比小爬升角爬升时约大3.3 Hz,前后翅相位差相对于小爬升角爬升时减小20°以上;另外,大爬升角爬升过程中前翅前倾角度更大,这样能够使蜻蜓身体保持更大的俯仰角,翅膀能够获得更大的上升力。      

用于灵巧手的新型两自由度关节机构

提出并设计完成了一种用于灵巧手的两自由度关节机构,该机构用于连接灵巧手的下指节与掌骨节,使得下指节相对掌骨节同时实现屈曲和侧展2个运动.在完成两自由度关节机构设计的基础上,对该机构进行了运动学分析,并应用虚拟样机技术进行了验证.两自由度关节机构的应用将对提高灵巧手的动力学特性和简化灵巧手的结构设计起到重要的作用.      

面向扑翼翼面运动参数的优化设计

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法(UVLM)计算扑翼气动力,与现有的实验数据进行对比,验证了气动力计算方法的准确性。基于DIRECT(矩形分割)全局优化算法,以最大化推进效率为特定优化目标,对扑翼运动参数进行了迭代优化。结果表明,通过该优化算法能够得到最优扑翼运动参数,有效提高特定气动性能;应用优化算法计算得到的平均推力与基准运动的平均推力相比,在数值上有1.04倍的提高。在设计过程中,降低气动力约束有利于扑翼运动优化,使给定扑翼翼面具有更大的推进效率,无气动力约束的最大推进效率与基准运动的推进效率相比提高了46.8%。     

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.      

带前缘小翼的扇翼翼型气动特性数值模拟分析

扇翼升力和推力的产生主要依靠翼型前缘弧形槽上方低压涡的形成,使得升力和推力具有较强的耦合关系,如何对其解耦控制是扇翼进一步工程应用的关键。对于扇翼翼型各项几何参数确定的情况下,前缘开口角的大小对扇翼气动性能的影响最大。因此考虑在基准扇翼翼型的前缘安装前缘小翼的方法来改变扇翼前缘开口角的大小,通过数值模拟的方法,对比分析了单片、双片和三片前缘小翼在不同前缘小翼偏转角、来流速度、迎角下对扇翼升力和推力的影响规律。结果表明:通过对前缘小翼偏转角的角度控制不仅仅可以改善扇翼的升力和推力,还可对低压涡的强度和位置进行控制,满足对扇翼气动力的主动控制要求,因而可实现对扇翼飞行器姿态进行操控的目的。      

昆虫飞行的高升力机理和能耗

昆虫的飞行机理可能为微型飞行器所借鉴,因而近来人们对其十分关注.在过去10年中,该领域的工作有了较大的进展.回顾了这10年中该领域的研究工作:首先,简述昆虫翅的拍动运动;其次,探讨拍动翅的非定常高升力机制;然后,讨论昆虫悬停和前飞时的能耗问题;最后,介绍最近关于具有两对翅膀的昆虫——蜻蜓飞行的研究结果.      

新型折叠翼机构设计

为了进一步缩减折叠翼飞行器（如舰载机、无人机、飞行汽车等）的展向尺寸来节省储存、运输空间,设计一种新型的折叠翼机构方案.它由内翼、中翼和外翼3部分组成,采用连杆机构作为翼面折叠机构,能进行两次折叠.简化运动模型,建立运动微分方程,分析折叠翼机构在地面（无气动载荷）情况下的运动特性;利用多刚体动力学软件进行动力学仿真分析;通过在内翼和中翼间的铰链添加扭力弹簧,改善了折叠翼的驱动性能;开展折叠翼地面折叠/展开实验,实验结果与计算机仿真基本吻合.翼面折叠/展开运动平稳,大幅缩减了折叠翼飞行器地面展向占用空间.      

蟑螂机器人崎岖路面行走算法设计与实现

针对直接串联式结构承载能力较弱的问题,设计了一种基于双四连杆构型的仿生蟑螂机器人,该构型运动灵活,承载能力强且可以实现解耦控制.建立了该构型的数学模型,进行运动学分析,求解出机器人的正解以及逆解.采用压力感应电阻(FSR,Force Sensing Resistor)以及光电开关联合检测蟑螂机器人行走在崎岖路面时足端是否落地的信息,而且提出一种新的足端轨迹规划实现蟑螂机器人在崎岖路面的快速行走,综合之前的运动学计算,设计了可用来控制蟑螂机器人在崎岖路面行走的算法,实验验证该算法可以控制机器人在崎岖路面以10 cm/s的速度行走.      

Study of waves in the magnetotail region with cluster and DSP

The study of the neutral sheet is of fundamental importance in understanding the dynamics of the Earth’s magnetosphere. From the earliest observation of the magnetotail, it has been found that the neutral sheet frequently appears to be in motion due to changing solar wind conditions and geomagnetic activity. Multiple crossings of the neutral sheet by spacecraft have been attributed to a flapping motion of the neutral sheet in the north–south direction, a wavy profile either along the magnetotail or the dawn–dusk direction. Cluster observations have revealed that the flapping motions of the Earth’s magnetotail are of internal origin and that kink-like waves are emitted from the central part of the tail and propagate toward the tail flanks. This flapping motion is shown here to propagate at an angle of ∼45° with x_GSM. A possible assumption that the flapping could be created by a wake travelling away from a fast flow in the current sheet is rejected. Other waves in the magnetotail are found in the ULF range. One conjunction event between Cluster and DoubleStar TC1 is presented where all spacecraft show ULF wave activity at a period of approximately 5 min during fast Earthward flow. These waves are shown to be Kelvin–Helmholtz waves on the boundaries of the flow channel. Calculations show that the conversion of flow energy into magnetic energy through the Kelvin–Helmholtz instability can contribute to a significant part of flow breaking between Cluster and DoubleStar TC1.     

翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析

为验证蝗虫通过翅膀不对称运动进行空中姿态调整机理,设计了仿蝗虫空中姿态调整机器人系统,通过曲柄摇杆机构实现翅膀拍动。分析了机构特性,建立了翅膀拍动模型,计算了不同拍动频率、不同拍动幅值下翅膀受力及力矩情况,分析了左右翅膀同步拍动与异步拍动时对机体产生的影响。最后,搭建了实验验证平台,实验结果表明,左右翅膀的同步拍动不会引起机体姿态较大变动,而两侧翅膀拍动相位的不同将引起机体来回摆动,拍动幅值的不同将引起机体的滚转运动,且拍动频率越高,机体滚转越明显。证明了蝗虫利用翅膀不同步运动进行空中姿态调整机理的正确性,也为仿蝗虫机器人空中姿态调整设计提供了依据。      

模糊-随机混合参数的机构运动可靠度计算方法

在目前机构产品的参数当中普遍存在着模糊变量和随机变量混合的情况,而现有的模糊-随机可靠度求解方法一般针对静态问题进行分析,不能有效描述具有混合不确定性的机构运动时变问题。基于机构运动误差分析,同时考虑失效判据和变量的模糊性,提出了基于改进包络函数的模糊-随机时变机构可靠性建模及计算方法。首先,将模糊判据转化为极限状态方程中的随机变量;其次,利用模糊论中的截集法处理模糊-随机混合变量,建立机构产品的模糊-随机时变可靠性模型;再次,利用改进的包络函数计算机构的运动时变可靠度;最后,结合四连杆机构的运动误差问题,验证了本文方法的可行性,结果表明该方法具有较高的计算精度。      

空间对接中差动式缓冲阻尼机构的建模研究

以美俄在ＡＳＴＰ计划中“联盟号”飞船的对接机构为背景,首先研究了差动式机电缓冲阻尼系统的结构组成和运动原理,并且建立了由捕获环,传动丝杠和固定机架组成的六自由度并联多环机构的运动简化模型。     

封闭式行星轮系功率流判别的键合图法

为更简单清晰地对封闭式行星轮系的功率流情况进行判别,利用键合图能量守恒和功率流动的特点,将键合图理论应用于该类轮系的功率流分析中.以功率汇流型、回流型2种形式的封闭式行星轮系为例,根据轮系的传动关系,利用绝对速度法建立轮系的键合图模型,根据提出的功率流向判别依据对轮系进行功率流向判别,得到整个轮系及其转换机构的功率流情况,为轮系的效率计算提供了基础.该方法适用于其它复杂轮系的功率流判别中,比传统方法更具直观性、系统性.     

基于约束线图的超导重力梯度敏感结构型综合

基于约束线图对超导重力梯度敏感结构进行型综合,分析轴向分量与交叉分量单独敏感的结构自由度与约束线图,并结合超导重力梯度测量应用提出两分量同时敏感的结构,利用自由度与约束线图确定约束类型,等效为柔性圆柱副,并选择柔性元件进行并联机构形式的布局.在型综合的基础上,通过模态仿真对比,得到两端与柔性球铰联接的刚性杆结构适于在两分量敏感结构中应用的结论.刚度特性仿真分析结果表明两分量敏感结构具有设计运动方向刚度小、寄生运动方向刚度大、运动耦合小的特点,适于在超导重力梯度测量系统中应用.