一种舱内/月面兼用登月航天服总体概念设计

航天员在月面驻留与活动离不开登月航天服的保护。文章考虑载人登月任务环境对登月航天服的各种特殊要求后,从满足环境适应性的服装工艺设计角度对登月航天服进行了总体概念设计:应用基于模型的系统工程（MBSE）方法,利用SysML搭建登月航天服模型,采取舱内/月面兼用设计模式;主要对其头盔、躯干主体部分、手套、靴子、生命保障背包,以及安全性可靠性等方面分别开展设计与说明。该设计思路和方案可为我国载人登月以及载人深空探测航天服设计提供参考。     

仿生扑翼机构的设计与运动学分析

仿生扑翼机构的设计以实现昆虫的扑翼形式为目标,通过仿生学与工程实际相结合,将昆虫复杂的扑翼运动分解为平扇与翻转两个基本动作,同时这两个自由度必须协调运动.仿生扑翼机构主要包括并联的两组曲柄摇杆机构与差动轮系两个部分,由直流伺服电机作为驱动,将曲柄的连续旋转输入转换为翅膀的平扇与翻转两自由度复合运动输出.通过建立运动模型对仿生扑翼机构进行运动学分析,得到扑翼的扇翅角及翅攻角与时间的关系曲线,然后选择合理的扑翼机构几何参数及齿轮副的传动比构筑扑翼机构样机,实现了预期的扑翼形式.      

微型飞行器的仿生力学——蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究

研究蜜蜂悬停飞行的纵向动稳定性问题。用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程。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、慢衰减模态。不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动;向前运动伴随上仰运动,向后运动伴随下俯运动,这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩,是不稳定的原因。快衰减模态主要为单调下俯和向前(或上仰和向后)运动。慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动。由于不稳定振荡模态的存在,蜜蜂的悬停飞行是动不稳定的,扰动增长的倍幅时间(0.11s)是拍动周期(5.1ms)的22倍,这对蜜蜂来说是较慢的。这里的结果也许可解释蜜蜂为何悬停得很平稳,同时机动性也很好:扰动增长慢,易于调整翅的运动以抑制之(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动);而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。     

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.