北理工團隊在多柔體系統動力學研究方面取得系列進展
發布日期：2022-05-26 供稿：宇航學院
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數：近日，北理工胡海巖院士領導的空間結構動力學與控制研究團隊分別在軟體機器人動力學、人體多體動力學、繩網捕獲動力學、多柔體動力學算法等方向取得突破。
圖1 軟抓手實現空間快速捕獲概念圖
圖2 介電彈性體軟作動器電極拓撲優化：(a) 計算結果; (b) 實驗結果
軟體機器人是含軟材料部件的多柔體系統，具有較高的環境適應性和交互安全性。針對空間結構快速組裝問題，團隊羅凱助理教授等提出了基于雙穩態軟抓手的快速捕獲方案（圖1），該軟抓手可通過調節穩態躍遷的能量勢壘，實現對不同狀態目標的抓捕適應性調整。進一步，針對軟作動器動態設計問題，提出了介電彈性體軟作動器的電極拓撲優化方法（圖2）。相關兩篇論文發表于機器人領域頂級期刊《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）。這是北京理工大學宇航學院研究成果首次在該期刊上發表。
圖3 口頜肌骨系統個性化建模與大張口模擬
圖4 人體肌骨系統多體動力學模擬與混合動作捕捉實驗平臺
人體肌骨系統也是典型的多柔體系統，其動力學與控制研究是動力學與生物力學的新興交叉融合領域。在肌骨系統動力學研究中，團隊成員郭建嶠博士等提出了一套針對人體口頜系統的個性化動力學建模方法（圖3），將多體動力學應用于口頜腫瘤手術規劃實踐。研究成果得到北大口腔醫院臨床應用，相關論文已發表于生物力學頂級期刊《Journal of Biomechanics》（J. Guo et al. 139: 111143, 2022）。郭建嶠博士也受邀在《力學進展》（郭建嶠等. 52(2): 1-58, 2022）上撰寫了長篇綜述論文，系統綜述了其在這一研究領域的研究成果（圖4）。2021年，郭建嶠博士還曾受邀在我國首屆“運動生物力學與體育科技促進研討會”作大會報告。
(a) 空間繩網展開動力學仿真及實驗 (b) 空間機械臂消旋仿真及實驗
圖5 空間碎片捕獲方法
空間碎片問題日益嚴峻，如何安全地開展碎片消旋與捕獲是研究難點與熱點。采用空間繩網和機械臂捕獲碎片是目前較為可行的捕獲方法（圖5）。針對空間繩網捕獲法，團隊成員單明賀助理教授等基于多柔體動力學絕對節點坐標法構建了“服務航天器-繩網-目標”的組合體系統動力學新模型，通過實驗和計算相結合的研究思路，預測了系統的捕獲動特性。對此類欠驅動系統，單明賀等還提出了基于系繩拉力的目標消旋控制算法，構建了末端執行器與目標的接觸動力學模型，采用混合力位控制方法成功對目標碎片進行消旋。相關論文已發表于《Aerospace》（M. Shan, L. Shi. 9: 33, 2022），《Acta Astronautica》（L. Shi, X. Xiao, M. Shan* et al. 193: 469-482, 2022）。研究成果已經被我國航天部門應用于繩網捕獲系統的設計。在多柔體動力學建模研究方面，團隊成員韓石磊副教授基于對偶四元數、變域哈密頓變分原理提出了系列可用于多柔體動力學分析的新有限單元，可實現系統高效建模和計算，研究成果發表于計算力學頂級期刊《Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering》(S. Han. 395: 115063, 2022)，獲同行專家高度評價。此外，團隊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技術方案，獲得了世界大學生立方星挑戰賽中國區總決賽特等獎（圖6）。
圖6 世界大學生立方星挑戰賽中國區總決賽特等獎證書
宇航學院空間結構動力學與控制實驗室，由胡海巖院士于2009年創建，現有教授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屆世界力學家大會（力學奧運會）介紹了團隊在多柔體系統動力學方面的研究成果，并獲得眾多國際著名力學家高度評價。2021年，團隊田強教授獲得了國家杰出青年科學基金項目資助。最近，胡海巖教授在第195屆匈牙利科學院院士大會上當選為該院外籍院士，是此次在工程科學領域當選的唯一外籍院士。
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