仿金花蛇躯体形变特征的空间展收机构功能机理研究

In the envirements of magnetic radiation, temperature ladder or space debris and so on, The on-orbit pose of spacecraft needs to be continuously adjusted with multiple degrees of freedom, as the existed deployment mechanism with two degrees of freedom of rigid adjustment state only can fully expanded or closed, so the space agencies with anti-electromagnetic radiation, resistance to temperature ladder and flexible contract and expansion and their mechanism of action have become a technical bottleneck in the development of aerospace.The Golden tree snake's body hardening mechanism of the instant stiffness-soft conversion and the body dysmorphic features of rattling body and flattening ribs will provide new research ideas to break through this bottleneck. In this topics, we will in-depth study the body deformation mechanism of the Golden Tree snake rattling body and flattening ribs, and make a variant kinematics and dynamics models of ribs bulging and sarcoplasmic flowing; based on the physiological and structural characteristics of the Golden Tree snake, design bionic institutions of contract and expansion with the characteristics of muscle fiber contraction and sarcoplasmic flowing and study the reliable movement mechanism of the institutions of contract and expansion and the multi-unit control methods to achieve the effective control strategy of the institutions of contract and expansion in different running gait, at last, develop the prototype of bionic institutions. In this study, we fusion frontier disciplines of biology, mechanics, materials, mechanical, hydraulic, and control theory and so on, the research will guide us to invent new rigid-flexible coupling space institutions of contract and expansion for aviation, aerospace, and military applications, and so on.

在充满磁辐射、阶梯温度和大量空间碎片等的太空环境中，航天器须进行在轨位姿的多自由度连续调整，而现有展收机构只能进行完全展开或收拢状态的两自由度刚性调整，因此抗电磁辐射、耐温度梯度和灵活展收的空间机构及其作用机理成为现有航天器研究中亟待解决的关键问题。金花蛇瞬间刚-柔转换的躯体硬化机制及摇鼓躯体展平肋骨的躯体变形特性为突破这一瓶颈提供了新的研究思路。本课题将深入研究金花蛇摇鼓躯体展平肋骨的躯体形变机理，建立肋骨鼓胀和肌浆流动的变体运动学和动力学模型；依据其生理构造特征，设计具有类似肌纤维收缩、肌浆流动和组织形变等特征的仿生展收机构；研究其串并联阵列单元的运动机制，提出不同位姿调整的反馈控制策略，实现多单元联合驱动与调控；研制出仿生展收机构原理样机。本研究融合了生物、力学、材料、机械、液压和控制等前沿学科理论，研究成果将指导发明一种适用于航空、航天、军事等应用领域的新型空间展收机构。

针对太空中磁辐射、阶梯温度和大量空间碎片的复杂环境，本课题根据金花蛇的“S”型滑翔运动和肋骨鼓荡方式，进行空间展收机构功能机理的仿生研究。研究内容主要包括以下四个方面：仿生运动机理、仿生展收机构、驱动调控算法、系统联调与试验。仿生运动机理方面，根据国内外的资料文献以及现代解剖技术等，研究金花蛇滑翔运动的生物机理，发现金花蛇具有独特的骨骼结构和肌肉结构，为后续研究奠定理论基础，同时也为后续样机机构研究提供一定的设计方案。仿生展收机构方面根据金花蛇的运动机理，模块化设计了三种不同的样机，构建了仿真金花蛇的骨骼和肌肉的仿生机构；前期的研究奠定了展收机构协同控制的数理基础，通过虚拟样机仿真技术，对仿生驱动机构单元进行运动学和动力学分析。系统控制方面，首先基于遗传算法的CPG控制方式，研究空间展收机构模型参数对调控及参数的影响；提出了一种用于冗余机构统一动态控制的方法，研究不同模态下的动态控制方案；最后，在前述控制研究基础上，根据金花蛇独特的生理机构，提出一种多单元的协同控制策略，所提的多单元协同控制策略和方案能够简化所设计的三代样机的多单元控制，更可以通过扩展使用，获得效率更高的智能高效控制，以满足复杂情况下的空间展收机构控制的动态响应需求。通过系统联调与试验，将前述的研究部分进行多参数调试，验证空间展收机构的功能及相关参数，检验机构中存在的问题并加以改进。该项目的研究已经达到预期的功能要求，完成了预期目标。