北理工團(tuán)隊(duì)在多柔體系統(tǒng)動力學(xué)研究方面取得系列進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-05-26 供稿：宇航學(xué)院
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數(shù)：近日，北理工胡海巖院士領(lǐng)導(dǎo)的空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)與控制研究團(tuán)隊(duì)分別在軟體機(jī)器人動力學(xué)、人體多體動力學(xué),、繩網(wǎng)捕獲動力學(xué),、多柔體動力學(xué)算法等方向取得突破,。
圖1 軟抓手實(shí)現(xiàn)空間快速捕獲概念圖
圖2 介電彈性體軟作動器電極拓?fù)鋬?yōu)化：(a) 計(jì)算結(jié)果; (b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
軟體機(jī)器人是含軟材料部件的多柔體系統(tǒng),，具有較高的環(huán)境適應(yīng)性和交互安全性。針對空間結(jié)構(gòu)快速組裝問題,，團(tuán)隊(duì)羅凱助理教授等提出了基于雙穩(wěn)態(tài)軟抓手的快速捕獲方案（圖1）,，該軟抓手可通過調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)躍遷的能量勢壘,，實(shí)現(xiàn)對不同狀態(tài)目標(biāo)的抓捕適應(yīng)性調(diào)整。進(jìn)一步,，針對軟作動器動態(tài)設(shè)計(jì)問題,，提出了介電彈性體軟作動器的電極拓?fù)鋬?yōu)化方法（圖2）。相關(guān)兩篇論文發(fā)表于機(jī)器人領(lǐng)域頂級期刊《Soft Robotics》（Y. Liu, K. Luo* et al. DOI: 10.1089/soro.2021.0147, 2022; P. Zhang, Z. Yan, K. Luo*, Q. Tian*. DOI: 10.1089/soro.2021.0169, 2022）,。這是北京理工大學(xué)宇航學(xué)院研究成果首次在該期刊上發(fā)表,。
圖3 口頜肌骨系統(tǒng)個性化建模與大張口模擬
圖4 人體肌骨系統(tǒng)多體動力學(xué)模擬與混合動作捕捉實(shí)驗(yàn)平臺
人體肌骨系統(tǒng)也是典型的多柔體系統(tǒng)，其動力學(xué)與控制研究是動力學(xué)與生物力學(xué)的新興交叉融合領(lǐng)域,。在肌骨系統(tǒng)動力學(xué)研究中,，團(tuán)隊(duì)成員郭建嶠博士等提出了一套針對人體口頜系統(tǒng)的個性化動力學(xué)建模方法（圖3），將多體動力學(xué)應(yīng)用于口頜腫瘤手術(shù)規(guī)劃實(shí)踐,。研究成果得到北大口腔醫(yī)院臨床應(yīng)用,，相關(guān)論文已發(fā)表于生物力學(xué)頂級期刊《Journal of Biomechanics》（J. Guo et al. 139: 111143, 2022）。郭建嶠博士也受邀在《力學(xué)進(jìn)展》（郭建嶠等. 52(2): 1-58, 2022）上撰寫了長篇綜述論文,，系統(tǒng)綜述了其在這一研究領(lǐng)域的研究成果（圖4）,。2021年,，郭建嶠博士還曾受邀在我國首屆“運(yùn)動生物力學(xué)與體育科技促進(jìn)研討會”作大會報告,。
(a) 空間繩網(wǎng)展開動力學(xué)仿真及實(shí)驗(yàn) (b) 空間機(jī)械臂消旋仿真及實(shí)驗(yàn)
圖5 空間碎片捕獲方法
空間碎片問題日益嚴(yán)峻，如何安全地開展碎片消旋與捕獲是研究難點(diǎn)與熱點(diǎn),。采用空間繩網(wǎng)和機(jī)械臂捕獲碎片是目前較為可行的捕獲方法（圖5）,。針對空間繩網(wǎng)捕獲法，團(tuán)隊(duì)成員單明賀助理教授等基于多柔體動力學(xué)絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)法構(gòu)建了“服務(wù)航天器-繩網(wǎng)-目標(biāo)”的組合體系統(tǒng)動力學(xué)新模型,，通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合的研究思路,，預(yù)測了系統(tǒng)的捕獲動特性。對此類欠驅(qū)動系統(tǒng),，單明賀等還提出了基于系繩拉力的目標(biāo)消旋控制算法,，構(gòu)建了末端執(zhí)行器與目標(biāo)的接觸動力學(xué)模型，采用混合力位控制方法成功對目標(biāo)碎片進(jìn)行消旋,。相關(guān)論文已發(fā)表于《Aerospace》（M. Shan, L. Shi. 9: 33, 2022）,，《Acta Astronautica》（L. Shi, X. Xiao, M. Shan* et al. 193: 469-482, 2022）。研究成果已經(jīng)被我國航天部門應(yīng)用于繩網(wǎng)捕獲系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。在多柔體動力學(xué)建模研究方面,，團(tuán)隊(duì)成員韓石磊副教授基于對偶四元數(shù)、變域哈密頓變分原理提出了系列可用于多柔體動力學(xué)分析的新有限單元,，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效建模和計(jì)算,，研究成果發(fā)表于計(jì)算力學(xué)頂級期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》(S. Han. 395: 115063, 2022)，獲同行專家高度評價,。此外,，團(tuán)隊(duì)博士生王帥等提出了基于立方形星群組裝的空間碎片清除與防護(hù)技術(shù)方案,，獲得了世界大學(xué)生立方星挑戰(zhàn)賽中國區(qū)總決賽特等獎（圖6）。
圖6 世界大學(xué)生立方星挑戰(zhàn)賽中國區(qū)總決賽特等獎證書
宇航學(xué)院空間結(jié)構(gòu)動力學(xué)與控制實(shí)驗(yàn)室,，由胡海巖院士于2009年創(chuàng)建,，現(xiàn)有教授3人，副教授1人,，助理教授2人,，博士后3人。2016年,，胡海巖院士受邀在第24屆世界力學(xué)家大會（力學(xué)奧運(yùn)會）介紹了團(tuán)隊(duì)在多柔體系統(tǒng)動力學(xué)方面的研究成果,，并獲得眾多國際著名力學(xué)家高度評價。2021年,，團(tuán)隊(duì)田強(qiáng)教授獲得了國家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目資助,。最近，胡海巖教授在第195屆匈牙利科學(xué)院院士大會上當(dāng)選為該院外籍院士,，是此次在工程科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)選的唯一外籍院士,。
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