咽颌运动模式鱼类胸鳍的运动学建模及仿真

针对实际鱼类胸鳍运动的随机性、不确定性和复杂性等问题给胸鳍推进机理和推进性能研究带来的挑战与困难,以及柔性胸鳍仿生研究所存在的问题,在对太阳鱼胸鳍的结构和运动特征进行大量观测研究的基础上,分阶段建立柔性胸鳍推进运动的运动学模型,并对其运动形态的变化过程进行仿真分析。仿真结果表明,所建立的运动学模型能够较好地描述胸鳍推进运动的运动规律和运动形态。此研究可为柔性胸鳍推进机理、推进性能和仿生等方面的深入研究提供理论依据。     

欠驱动柔性胸鳍仿生设计及仿真

为了进一步提高咽颌运动模式鱼类胸鳍仿生机构的性能,以实际鱼类胸鳍的结构和驱动控制机理为基础,采用欠驱动技术设计了一套新型的柔性胸鳍仿生机构,建立其运动学和动力学模型,并采用Matlab对其性能进行了仿真分析。从仿真结果来看,所建立的新型柔性胸鳍仿生机构及其运动学、动力学模型是合理、有效的。它不但能够较好的模拟胸鳍的各种操纵运动,而且减少了驱动装置的数量,降低了系统的复杂性。从而为深入研究鱼类胸鳍的推进机理和新型水下操纵工具的设计提供了一定的基础和保障。     

咽颌运动模式的仿生胸鳍控制系统设计

为了使胸鳍仿生机构按照咽颌运动模式鱼类胸鳍的运动模型运动,根据仿生胸鳍运动机构采用多电机控制鳍条运动的特点,设计了一种基于CAN总线的分布式实时胸鳍仿生控制系统。该系统可以实时控制各鳍条驱动电机做相应速度的转动实现胸鳍仿生运动机构的各种摆动运动模式,最后分析了两个具有代表性的鳍条驱动电机的控制性能,结果表明该控制系统能够有效控制胸鳍仿生运动机构做相应的摆动运动。     

基于遗传算法的胸鳍推进性能优化研究

由于鱼类胸鳍的推进性能是和其运动学参数直接相关的,为了进一步提高胸鳍的推进性能,建立了胸鳍推进运动的运动学模型,对在推进运动过程中胸鳍所受到的水动力进行了计算,并建立了对其推进性能进行优化的数学模型,然后,采用MATLAB编写了相应的遗传优化算法,以对胸鳍推进性能进行了优化设计。最后,对优化结果和胸鳍的推进性能进行了仿真分析,从仿真结果可以看出,所建立的优化模型以及所采用的优化算法能够较好的对胸鳍的性能进行优化,提高了胸鳍在推进过程中的推进力。因此,所进行的优化分析是合理、有效的,为进一步提高胸鳍的推进性能提供了一定的理论依据。     

胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究进展

胸鳍摆动推进模式鱼类兼具高机动性、高效率和较高运动速度等优势特征,以此种鱼类为自然原型构建仿生机器鱼成为水下机器人研究领域的一个热点问题。通过对牛鼻鲼生物学研究成果的总结和实地观测分析,得出胸鳍摆动推进模式鱼类的典型身体结构特征和运动变形规律。系统总结胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究领域中摆动胸鳍功能单元理论和试验研究情况以及仿生鱼样机构建的国内外研究现状。着重介绍研究小组在胸鳍摆动推进仿生鱼研究中所取得的阶段性成果,并在游动速度方面与本领域内的其他样机进行对比。通过对当前胸鳍摆动推进仿生鱼研究成果进行分析,得出现有仿生样机与自然原型存在差距的主要原因。随着研究的不断深入,胸鳍摆动推进仿生鱼样机性能与自然原型之间的差距必将逐渐缩小,实际应用前景广阔。     

基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人。在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案。研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验。结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动。     

基于液压驱动的仿生推进器设计及运动学分析

MPF推进模式鱼类的高效、低扰动游动特性,逐渐受到水下机器人研究者的广泛关注。以"尼罗河魔鬼"鱼的柔性长背鳍为仿生对象,设计了一种液压驱动的模拟柔性长背鳍波动运动的仿生推进器。详细介绍了该仿生推进器的结构和工作原理,并建立了相应的运动学模型。在MAT-LAB中,根据运动学模型分析了鳍条高度、鳍面基线的不同组合下鳍面的运动效果。初步开展了该仿生推进器试验装置的试验。计算仿真和试验结果表明:液压驱动的仿生推进器运行流畅、结构和运动参数调整有效,完全可以模拟仿生对象的运动。     

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。     

仿生蓝点魟胸鳍在两种波动模式下推进力的比较

依靠鱼鳍波动推进的鱼类通常具备极强的游动稳定性和机动性能,在这些鱼类中,根据鱼鳍波状运动形成行波波幅包络线形式的不同,鱼鳍波动模式主要有摆幅从前往后逐渐增大和摆幅保持不变两种。设计出一种仿生蓝点魟胸鳍模型,通过试验研究模型在两种波动模式下频率、摆幅和波长等运动学参数对产生推进力大小的差异。测试结果显示,在两种波动模式下,推进力基本上随着波动频率、摆幅和波长的增大而增加;在相同运动学参数下,摆幅逐渐增大模式产生的推进力始终大于等摆幅模式;为进一步深入研究并揭示其中的缘由,随后建立仿生蓝点魟胸鳍的二维模型,利用有限体积法对建立的模型及计算域进行离散,基于流体动力学对两种波动模式下仿生鳍推进力进行计算,给出与试验条件相似的运动学参数下鱼鳍在两种波动模式下推进力大小随之变化情况的数值计算结果,绘制出压力分布等值线图和涡量场分布情况,并从涡动力学角度解释试验现象和揭示其原理及内在规律。该研究成果为仿生蓝点魟胸鳍选择合理的推进模式,高效、可靠地完成预定任务提供理论参考。     

3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析

为了提高仿生机器鱼在复杂水环境中的游动性能和推进效率，文中设计了一种3自由度胸鳍机器鱼推进机构，研究了鱼体在3自由度胸鳍推进和两侧胸鳍与尾鳍协同推进两种模式下的游动性能。首先，基于鱼体波传播理论分析3自由度胸鳍关节空间运动规律，采用微元法分析建立其动力学模型，并对不同推进方式下运动参数的影响程度进行了比较和仿真。仿真结果表明：当两个胸鳍相互协同时，机器鱼的平均速度为0.28 m/s,当双侧胸鳍与尾鳍共同协同时，机器鱼的平均速度为0.42 m/s,对比发现胸鳍和尾鳍协同推进时速度更高且推力更大，可实现较宽的游速范围，推进性能更好。     

仿蝠鲼机器鱼软体胸鳍建模与仿真

介绍一种仿蝠鲼机器鱼上使用的软体胸鳍推进器，具有三维立体翼型并集成多个软体致动单元，具备更高形态及运动仿生度。分析提取了生物原型翼缘曲线并建立扑翼运动学模型，解耦描述胸鳍俯仰-摆转复合运动模式；对比了不同致动器数量的软体胸鳍运动特性与控制策略，并通过样机静态加载试验验证了有限元模型可靠性；基于格子-玻尔兹曼方法实现复杂曲面动态边界的流固耦合，在仿真环境中分析了单/多自由度软体胸鳍在不同工况下的扑翼推升力特性；数据对比表明多自由度胸鳍平均推力为单自由度的7.2倍，性能优势显著，为进一步水动力试验研究与机器鱼平台整合提供了数据预测与方向指导。     

Effect of spanwise flexibility on propulsion performance of a flapping hydrofoil at low Reynolds number

Spanwise flexibility is a key factor influencing propulsion performance of pectoral foils.Performances of bionic fish with oscillating pectoral foils can be enhanced by properly selecting the spanwise flexibility.The influence law of spanwise flexibility on thrust generation and propulsion efficiency of a rectangular hydro-foil is discussed.Series foils constructed by the two-component silicon rubber are developed.NACA0015 shape of chordwise cross-section is employed.The foils are strengthened by fin rays of different rigidity to realize variant spanwise rigidity and almost the same chordwise flexibility.Experiments on a towing platform developed are carried out at low Reynolds numbers of 10 000,15 000,and 20 000 and Strouhal numbers from 0.1 to 1.The following experimental results are achieved: (1) The average forward thrust increases with the St number increased;(2) Certain degree of spanwise flexibility is beneficial to the forward thrust generation,but the thrust gap is not large for the fins of different spanwise rigidity;(3) The fin of the maximal spanwise flexibility owns the highest propulsion efficiency;(4) Effect of the Reynolds number on the propulsion efficiency is significant.The experimental results can be utilized as a reference in deciding the spanwise flexibility of bionic pectoral fins in designing of robotic fish prototype propelled by flapping-wing.     

仿鳐鱼水下机器人自主游动建模与仿真

随着探索海洋的呼声越来越高,仿鱼机器人的研究热潮也随之而来。在众多鱼类中,以鳐鱼为代表的胸鳍推进式鱼类具有良好的机动性,能适应复杂的海底环境。然而目前国内外对仿鳐鱼机器人的研究很少,特别是对其动力学模型和自主游动方面的研究更是不足,因而建立了仿鳐鱼机器人的物理模型,提出了一种动力学模型,并在此基础上仿真实现了仿鳐鱼机器人的自主游动,获得了与真实鳐鱼游动十分接近的速度和相同的运动规律,证明了模型和仿真的正确性。     

机械胸鳍式仿生水下机器人的动力学特性研究

对新近研制的仿生水下机器人Robo—Mackerel，建立其在胸鳍摆动模式下游动的物理模型，并给出机械胸鳍摆动的运动方程。利用库达-儒柯夫斯基定律和二维叶素理论，分析Robo—Mackerel巡游时受到的流体作用力。通过动力学仿真，计算Robo—Mackerel的游速、推进力、瞬时功率和平均效率等水下推进性能指标。为有效地提高Robo—Mackerel的水下推进性能，分析讨论了机械胸鳍摆动各运动学参数和上述指标的关系，并提出各运动学参数的最优值。     

仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究

仿生鱼鳍的波动运动有两种基本模式:振幅从前往后保持不变和振幅从前往后逐渐变化。通过比较仿生鱼鳍两种波动模式的特点,可以给利用仿生鱼鳍驱动的水下推进器选择合理的波动方式提供依据。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立两种波动模式的二维数学模型。比较分析了在相同的雷诺数及运动学参数(频率、波速和平均振幅)下两种波动模式形成的压力分布和平均推进力。给出了阻力系数随时间的变化规律。根据尾迹涡量场分布形式和涡量强度解释了两种波动模式之间存在差异的原因。从仿真结果可以看出:在相同的运动学参数下,振幅从前往后保持不变的鱼鳍波动模式产生更大的推进力,具有更高的游动稳定性。     

超磁致伸缩薄膜尾鳍机器鱼的仿生游动机理

根据仿生学原理,采用超磁致伸缩薄膜驱动器模仿鱼类的波状推进方式,可以实现机器人的无缆驱动,并能显著提高机器人的可靠性与实用性。为了提高推进力,进而提高驱动效率,实现机器人尾鳍形状优化是关键。基于等面积条件,优选了几种薄膜尾鳍形状,在建立悬臂梁结构变断面超磁致伸缩薄膜受迫振动动态模型和机器人推力模型的基础上,对不同形状薄膜尾鳍的推力进行了仿真验证,得出了最佳尾鳍形状曲线,并用有限元法分析了薄膜驱动器的应力分布,最后通过试验验证了薄膜驱动器的推进效果。     

不同柔性变形参数对仿鱼形水下航行器推进性能的影响分析

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景,利用计算流体动力学软件Fluent对三维全鱼模型进行了数值模拟,建立了仿鱼形水下航行器的数值计算模型,研究了柔性变形系数下三维全鱼模型的推进性能以及流场结构结构特点,结果表明随着柔性系数的增加,阻力系数的幅值增大,从而为开发新型、高效的仿生推进系统提供设计依据和技术支撑.