基于植物感性运动机理的模块化柔性可展机构设计方法研究

Large span, light weight and high deployment ratio are a main trend of the development of deployable mechanisms. To reduce the number of moving joints, lower the weight of whole system, the compliant parts are immerged into the deployable mechanisms and the modular compliant deployable mechanisms are invented. Through the deformation of the compliant part, the whole mechanism can be movable and fulfill the requirement of the specific function and task. This feature is able to enhance the reliability, deployment ratio and power to density ratio. Due to the compliant parts, the whole mechanism features high nonlinearity, strong coupling and time variation. It’s much more difficult for configuration synthesis and assembling method than the other mechanisms. In nature, some plants have the complicated nastic movement by the utilization of their own structure. In view of the mechanism theory, these plants can be regarded as the modular compliant deployable mechanisms. Through the further investigation of the nastic plant movement, the mechanical principles and their inner relations are revealed in this project. It can be implemented to the research of the modular compliant deployable mechanisms, for the purpose of solving the problems of configuration synthesis, coordinated assembly, movement transmission, control strategies and etc. And the design theory of the modular compliant deployable mechanisms is gradually built from the point of view of plant biomimetic. And the prototype and the application fundament in the context of the space large compliant solar panel are developed. The achievement promotes the innovation design for this kind of mechanisms.

大跨度、轻质量、高展收率正成为可展机构发展的一个主要趋势。为减少活动部件，减轻系统重量，人们在可展机构系统中融入柔性元素，设计出模块化柔性可展机构。通过柔性材料的变形运动实现整体机构的特定功能和任务，提高机构可靠性、展收率和功率密度比。由于其中的柔性元素，机构系统具有严重非线性、强耦合以及时变等动力学特点，其构型综合、单元组合等问题更加复杂。在自然界中，某些植物能通过巧妙综合自身结构特点，产生各种精妙的感性运动。从机构学角度看，这类植物本身就是一个复杂的模块化柔性机构系统。本项目通过深入研究植物典型感性运动机理，揭示其中各类机构学原理和内在联系，并应用于模块化柔性可展机构研究，解决构型综合、协调组合、运动传递、控制策略等问题。从植物仿生学角度，逐步建立起一套模块化柔性可展机构设计理论。以大型空间柔性太阳翼为背景，研制原理样机并开展应用基础研究，推动此类机构创新设计。

本项目借鉴植物感性运动中蕴含的机构学原理，在大变形空间柔性构件运动规律及反演设计、柔性模块的构型综合、组合方式、以及整体机构的运动控制策略等方面取得重要进展，提出了基于膨压原理软体机构、柔性盘绕卷曲可展收机构、新型曲梁柔顺机构等多种基于植物感性运动原理的新型机构构型。利用伪刚体模型和螺旋理论，绘制了回复力等高线及广义力椭圆，从而掌握大变形空间柔性构件运动规律。进而，建立新型机构支链图谱和多环支链运动模型，研究新型机构构型综合和组合方式。针对新型机构大伸展、低刚度，无法采用定常参数的控制模式特点，本项目提出了一种基于深度学习近似模型的运动控制方法，运用三种机器学习方法（ML），即MLP(多层感知器)、LSTM(长-短期记忆)和GRU(门控递归单元)网络进行建模控制。通过上述研究，形成了一套针对模块化柔性可展机构的分析和设计理论方法。在此基础上，设计并制作了膨压软体机构、柔性盘绕卷曲可展收机构等3种新型柔性可展机构，分析了其拓扑结构、支链运动模型、刚度变化特征等特点，验证了所提出的设计方法和理论。该项目研究成果可用于为无人机、小型微型卫星等平台提供超轻小型可展收执行器（如可展收机械臂）等，以优化平台-机械臂整体结构，适应不同空间限定条件下对外界事物操作要求，满足未来无人系统的发展趋势。项目相关研究成果在Mechanism and Machine Theory，ASME- Journal of Mechanisms and Robotics，机械工程学报，Mechanical Sciences等机构学高水平期刊发表论文10篇；ReMAR2018等高水平国际会议论文2篇，其中1篇获得会议最佳论文奖；相关授权专利8项；相关成果获2018年国家科技进步二等奖1项、2017年上海市技术发明二等奖1项。