機(jī)械學(xué)院專欄《科苑·星壇》第十九期準(zhǔn)時(shí)啟航！本期將為大家介紹呂勝男老師。呂老師長(zhǎng)期致力于空間折展機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、性能分析及其在航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，在機(jī)構(gòu)“型-形”融合設(shè)計(jì)、含間隙機(jī)構(gòu)精度分析、新型折展機(jī)構(gòu)創(chuàng)新等方面取得系列突破。本期將為本科生提供“仿生折展翼飛行器設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制”小微項(xiàng)目，從鳥類飛行的折疊與展開中汲取靈感，探索可適應(yīng)多任務(wù)需求的輕量化、高機(jī)動(dòng)仿生飛行器結(jié)構(gòu)。歡迎對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿生機(jī)器人、航天工程或醫(yī)療器械交叉領(lǐng)域有濃厚興趣，且具備一定CAD建模、編程與動(dòng)手實(shí)踐能力的同學(xué)加入，一起在“折疊”與“展開”之間，構(gòu)筑連接理論與應(yīng)用的創(chuàng)新之橋！
01 個(gè)人簡(jiǎn)介
呂勝男，北京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)家級(jí)青年人才。主要從事空間折展機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及性能分析等，并開展其在航天、醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目及航天技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目等多項(xiàng)，參與國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、重大項(xiàng)目課題、重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能機(jī)器人專項(xiàng)等國(guó)家級(jí)項(xiàng)目。在International Journal of Mechanical Sciences、Mechanism and Machine Theory等本學(xué)科權(quán)威期刊及重要學(xué)術(shù)會(huì)議發(fā)表論文60余篇，獲得IFToMM World Congress最佳論文提名獎(jiǎng)、IEEE/IFToMM ReMAR國(guó)際會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)、可展開空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議優(yōu)秀論文獎(jiǎng)等。授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利15項(xiàng)。擔(dān)任國(guó)際期刊International Journal of Robotic Research（IJRR）編委、宇航空間機(jī)構(gòu)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等。
02 學(xué)術(shù)成果
1) 折展機(jī)構(gòu)“型”與結(jié)構(gòu)“形”融合設(shè)計(jì)方法
針對(duì)折展機(jī)構(gòu)“型-形”綜合問題，提出了基于運(yùn)動(dòng)副公共交線準(zhǔn)則的單元機(jī)構(gòu)束狀收攏幾何算法，建立了含機(jī)構(gòu)/幾何耦合參數(shù)的單元機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，揭示了單元機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型與結(jié)構(gòu)功能形狀之間的幾何映射關(guān)系。此外，建立了含幾何特征與運(yùn)動(dòng)屬性的單元機(jī)構(gòu)組合傳遞模型，獲得了相同/不同類型單元機(jī)構(gòu)的可擴(kuò)展性規(guī)則。
圖1 基于面對(duì)稱Bricard機(jī)構(gòu)單元的折展機(jī)構(gòu)“型-形”綜合
2) 折展機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)綜合性能分析與評(píng)價(jià)方法
折展機(jī)構(gòu)的桿件是具有一定幾何形狀的非絕對(duì)剛體，其桿件間存在大量運(yùn)動(dòng)副間隙、各環(huán)路之間存在復(fù)雜的耦合約束關(guān)系。研究建立了一種轉(zhuǎn)動(dòng)副空間間隙的等價(jià)機(jī)構(gòu)模型，提出含多源誤差的機(jī)構(gòu)精度調(diào)配方法；揭示了間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副穩(wěn)定接觸狀態(tài)間的連續(xù)轉(zhuǎn)變規(guī)律，提出了間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副穩(wěn)定接觸的等效運(yùn)動(dòng)分析方法，解決了含間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副空間過約束機(jī)構(gòu)在承載時(shí)的精度分析難題。
圖2 含間隙轉(zhuǎn)動(dòng)副的過約束機(jī)構(gòu)精度分析
3) 面向航天功能形面要求的新型空間折展機(jī)構(gòu)
面向特定航天功能形面要求，基于典型機(jī)構(gòu)單元通過特定的組合方式和運(yùn)動(dòng)形式擴(kuò)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一系列能夠緊湊收攏、具有特定功能形面的折展機(jī)構(gòu)：基于同構(gòu)單元周向/軸向組合的套接式折展機(jī)構(gòu)、可準(zhǔn)確擬合給定準(zhǔn)線方程的柱面折展機(jī)構(gòu)、具有連續(xù)光滑表面的圓環(huán)面、拋物柱面折展機(jī)構(gòu)等。
圖3 面向航天功能形面要求的新型空間折展機(jī)構(gòu)
4) 基于折展機(jī)構(gòu)原理的取栓支架構(gòu)型設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化
將取栓支架的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與折展機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相融合，構(gòu)建了取栓支架層級(jí)化構(gòu)型模型，揭示了支架由局部單元到整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型演變規(guī)律。通過參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)力學(xué)性能與折展特性的協(xié)同設(shè)計(jì)。研制的樣機(jī)在多平臺(tái)驗(yàn)證中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的展收與取栓操作。與商業(yè)支架相比，能更有效防止血栓逃逸，對(duì)偏硬血栓的嵌合能力更強(qiáng)，體現(xiàn)出較高的安全性與應(yīng)用潛力。
圖4 基于折展機(jī)構(gòu)原理的微型取栓支架設(shè)計(jì)及測(cè)試
03 項(xiàng)目介紹
仿生折展翼飛行器設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制
1)項(xiàng)目簡(jiǎn)介
自然界中，許多具備飛行能力的生物能夠靈活地折疊與展開其運(yùn)動(dòng)器官，例如鳥類在起飛階段快速展開雙翼以獲取最大升力，而在高速俯沖時(shí)則收攏翼面以減少氣動(dòng)阻力。受此啟發(fā)，仿生撲翼飛行器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了折展機(jī)構(gòu)，使其能夠在靜止、起飛、巡航等不同飛行階段實(shí)現(xiàn)翼面構(gòu)型的快速切換，從而在整體尺寸、氣動(dòng)性能與結(jié)構(gòu)防護(hù)之間達(dá)成更優(yōu)平衡。此類折展機(jī)構(gòu)不僅增強(qiáng)了飛行器對(duì)不同任務(wù)與環(huán)境的多模態(tài)適應(yīng)能力及運(yùn)行可靠性，也為實(shí)現(xiàn)輕量化、高機(jī)動(dòng)性的仿生飛行系統(tǒng)提供了進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)空間。
2)所需能力
具備扎實(shí)的數(shù)理基礎(chǔ)
具有良好的動(dòng)手能力
對(duì)機(jī)器人與仿生飛行器有濃厚興趣
熟練使用Solidworks、Creo等CAD工具
具備基本編程能力，了解C/C++、Python等
了解或使用過Altium Designer等PCB設(shè)計(jì)工具
有科研主動(dòng)性與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神
具備開放思維與創(chuàng)新意識(shí)
3)相關(guān)事項(xiàng)
項(xiàng)目周期：3-9個(gè)月
所需人數(shù)：1-3名本科生
4)聯(lián)系方式
電子郵箱：shengnan_lyu@buaa.edu.cn
04 老師寄語
在探索未知的科研旅程中
愿你能以思考為燈、以堅(jiān)持為路
于實(shí)驗(yàn)室日常中看見遠(yuǎn)方
于反復(fù)實(shí)踐中辨明方向
穩(wěn)穩(wěn)邁出屬于你學(xué)術(shù)道路上的第一步
