仿金花蛇軀體形變特徵的空間展收機構功能機理研究

《仿金花蛇軀體形變特徵的空間展收機構功能機理研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由馮寶林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：仿金花蛇軀體形變特徵的空間展收機構功能機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馮寶林
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

在充滿磁輻射、階梯溫度和大量空間碎片等的太空環境中，太空飛行器須進行在軌位姿的多自由度連續調整，而現有展收機構只能進行完全展開或收攏狀態的兩自由度剛性調整，因此抗電磁輻射、耐溫度梯度和靈活展收的空間機構及其作用機理成為現有太空飛行器研究中亟待解決的關鍵問題。金花蛇瞬間剛-柔轉換的軀體硬化機制及搖鼓軀體展平肋骨的軀體變形特性為突破這一瓶頸提供了新的研究思路。本課題將深入研究金花蛇搖鼓軀體展平肋骨的軀體形變機理，建立肋骨鼓脹和肌漿流動的變體運動學和動力學模型；依據其生理構造特徵，設計具有類似肌纖維收縮、肌漿流動和組織形變等特徵的仿生展收機構；研究其串並聯陣列單元的運動機制，提出不同位姿調整的反饋控制策略，實現多單元聯合驅動與調控；研製出仿生展收機構原理樣機。本研究融合了生物、力學、材料、機械、液壓和控制等前沿學科理論，研究成果將指導發明一種適用於航空、航天、軍事等套用領域的新型空間展收機構。

結題摘要

針對太空中磁輻射、階梯溫度和大量空間碎片的複雜環境，本課題根據金花蛇的“S”型滑翔運動和肋骨鼓盪方式，進行空間展收機構功能機理的仿生研究。研究內容主要包括以下四個方面：仿生運動機理、仿生展收機構、驅動調控算法、系統聯調與試驗。仿生運動機理方面，根據國內外的資料文獻以及現代解剖技術等，研究金花蛇滑翔運動的生物機理，發現金花蛇具有獨特的骨骼結構和肌肉結構，為後續研究奠定理論基礎，同時也為後續樣機機構研究提供一定的設計方案。仿生展收機構方面根據金花蛇的運動機理，模組化設計了三種不同的樣機，構建了仿真金花蛇的骨骼和肌肉的仿生機構；前期的研究奠定了展收機構協同控制的數理基礎，通過虛擬樣機仿真技術，對仿生驅動機構單元進行運動學和動力學分析。系統控制方面，首先基於遺傳算法的CPG控制方式，研究空間展收機構模型參數對調控及參數的影響；提出了一種用於冗餘機構統一動態控制的方法，研究不同模態下的動態控制方案；最後，在前述控制研究基礎上，根據金花蛇獨特的生理機構，提出一種多單元的協同控制策略，所提的多單元協同控制策略和方案能夠簡化所設計的三代樣機的多單元控制，更可以通過擴展使用，獲得效率更高的智慧型高效控制，以滿足複雜情況下的空間展收機構控制的動態回響需求。通過系統聯調與試驗，將前述的研究部分進行多參數調試，驗證空間展收機構的功能及相關參數，檢驗機構中存在的問題並加以改進。該項目的研究已經達到預期的功能要求，完成了預期目標。