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。     

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。     

面向水下无声推进的形状记忆合金丝驱动柔性鳍单元

水下无声推进是潜器追求的理想目标,但几乎所有成熟的潜器都应用螺旋桨推进,噪声较大,推进效率随航度变化波动大,限制了潜器的应用.基于大多数鱼类和鳍波动推进时的乌贼的游动基本动作为柔性弯曲这一事实,从软体动物乌贼的鳍结构获得启发,借鉴其肌肉性静水骨骼原理,提出并研制嵌入形状记忆合金丝驱动的仿生柔性鳍单元,对柔性鳍单元进行转角理论分析及水中弯曲、回复试验,研制并试验基于柔性鳍单元的微型机器鱼.柔性鳍单元通过电流驱动,以模块化形式安装,实现身体/尾鳍推进、胸鳍波动推进等功能.柔性鳍单元为动作无噪声,转角大,无相对移动的机械部件,具有足够的输出力,结构简单,隐蔽性好,可实现水下无声仿生推进,在微小型水下机器人上应用具有优势.     

仿生鱼鳍运动仿真分析及试验研究

仿生水下推进技术的研究日益受到科研工作者的青睐,尤其是仿生机器鱼的研究日益引起关注.在对柔性长鳍波动推进模型研究的基础上,提出一种尾鳍摆动与长鳍波动组合推进的模型,目的是为了提高已有柔性长鳍波动模型的推进性能.对柔性长鳍波动推进模型和组合推进模型进行介绍,着重利用计算流体动力学方法分别对刚性尾鳍摆动模型和柔性长鳍波动模型进行二维数值计算,并对仿真结果进行对比和分析,对模型进行简易流场显示试验,为进一步研究组合鳍的推进特性奠定了基础,同时便于和今后模型的试验数据进行对比分析.     

弓鳍目鱼柔性波动长鳍运动学特征分析

利用数字摄像机和图像测量技术定量地研究了弓鳍目鱼“尼罗河魔鬼”的自然巡航游动过程；对实验所获图像进行分析，得到了样本躯体宽度、躯体纵深和长背鳍纵深沿体长分布的曲线，以及样本在每秒0．728～0．985鳍长的特征游速下巡航游动时的背鳍运动参数与背鳍波动波形的包络线；定性描述了“尼罗河魔鬼”正向、逆向行进时背鳍产生波形的差异，分析了样本的形态学特征、柔性长背鳍波动推进的运动特性及运动参数间的相关性，为进一步进行动力学分析和建立工程上实用的仿生柔性长鳍简化模型及其简化准则提供了依据。     

高机动自主水下航行器的仿生设计研究

基于黄鳍金枪鱼的生理结构特征,以及鱼类的体干尾鳍推进模式（BCF）和中鳍对鳍推进模式（MPF）,运用仿生工程学原理,开发出高机动自主水下航行器。通过柔性鱼体机构、推进器、沉浮水舱、控制系统和航行稳定性的仿生设计,航行器在水下实验中可自主完成高速巡航和多种机动方式水下作业。建立的水下试验平台可有效应用于仿生推进模式特征参数和推进性能内在关系的研究同时为改善自主水下航行器的机动性能提供了新的设计思路。     

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。     

水下长鳍波动式MPF推进模式机器人研究现状与发展趋势

自20世纪末起，水下仿生机器人就因其独特的推进模式、高效的推进效率而受到学者们广泛的研究。通过模拟千奇百怪鱼类的运动姿态，各种各样推进模式的水下仿生机器人也被开发了出来。研究人员始于身体尾鳍（body and/or caudal fin，下称BCF）推进模式的研究，再衍生到中间鳍对鳍（median and/or paired fin，下称MPF）推进模式的研究，近年来又将MPF细分为了多鳍拍动式、胸鳍扑翼滑翔式和长鳍波动式三种。文中探讨了水下长鳍波动式MPF推进模式机器人的发展起源，并且从原理、结构、材料、流体力学方面分析了近年来水下长鳍波动式MPF推进模式机器人研究现状与发展趋势。     

双尾鳍仿生推进器C型转弯运动控制建模研究

提出了一种新型仿生水下推进器,采用多关节双尾鳍协同驱动方式融合了波动推进模式和射流推进模式,能够实现巡游、加速、转弯和制动等机动动作。以多关节击水鳍数值逼近鱼类游动体波曲线为目标,建立了仿生推进器C型转弯过程运动控制模型,实验测试验证了模型的有效性和实用性。     

柔性仿生鱼鳍中形状记忆合金鳍条的优化设计

介绍一种使用形状记忆合金（SMA）薄板作为鳍条的柔性仿生鱼鳍设计。SMA鳍条的尺寸参数（特别是厚度）对仿生鱼鳍的工作性能（驱动力、变形量和响应频率等）有很大的影响,本文计算了鳍条上的外界阻力大小;根据力矩平衡原理,计算了SMA鳍条克服外界阻力所需的驱动力;由实验给出了SMA鳍条最大输出力和其厚度的关系,以及平均应变和其厚度的关系;最后得出了形状记忆合金鳍条的重要尺寸参数（厚度）的优化取值。     

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。     

Research on swimming by undulatory long dorsal fin propulsion

The kinematics of steady forward swimming of Gymnarchus niloticus is described. The geometric features of the body and locomotive characteristic and parameters of the flexible dorsal fin are discussed. On the basis of observation and experimental data, a simplified kinematic model on locomotion of the undulatory long dorsal fin propulsion is promoted. The hydromechanical performances of the undulatory long dorsal fin propeller of G. niloticus are estimated with the large-amplitude elongated-body theory. The hydromechanical efficiency of the undulatory long dorsal fin system ranged from 81.664% to 86.420% over a speed range of 0.728–0.985 length · s⁻¹. It is suggested that the undulatory long dorsal fin propulsion is an adaptation to swimming with high hydromechanical efficiency. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(3): 66–70 [译自: 机械工程学报]     

宏压电纤维致动的水下推进器性能及机理

提出了一种宏压电纤维复合材料(macro fiber composite, 简称MFC)致动的仿鲹科身体/尾鳍(body or caudal fin,简称ＢＣＦ)水下推进器。利用搭建的实验平台测试了不同驱动电压条件下推进器的摆动性能，推进器在峰峰值为1 000 V，频率为17.7和3 Hz的激励电压下分别取得空气中最大摆幅峰峰值为45 mm，水下最大摆幅峰峰值13 mm。借助计算流体力学(computational fluid dynamics,简称ＣＦＤ)研究了仿生推进器在稳定摆动过程中流场特性和尾迹旋涡的分布情况，从推进器端部观察到的“反卡门涡街”结构揭示了仿生推进器的流体动力学机制和摆动式推进机理。推进器端部在x方向上的平均推进力可达1.5mN。研究成果对压电纤维致动器在仿生推进器的优化设计和提高其推进效率提供技术支持     

基于理想推进器理论的尾鳍推力与效率估算

鱼类尾鳍的动力学问题已经得到广泛研究,但是在进行尾鳍推进器的设计时,还缺乏一种简单有效的设计和估算方法,将尾鳍的运动参数与推力、效率联系起来;在观测和分析尾鳍流场的基础上,研究了2自由度尾鳍推进器的流场结构和推力形成原因;将理想推进器理论应用于尾鳍推进器的推力和效率计算,提出了射流及其诱导速度的量化假设,建立了推力、效率与运动参数、斯特劳哈尔数之间的函数关系;运用该函数对海洋动物的典型运动状态进行了估算,估算结果与动物观测现象基本吻合,该方法在机器鱼模型设计中得到了应用和验证。     

基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学建模

提出了基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学模型。通过对鱼体波状游动的运动学描述,将仿鱼机器人离散成刚性头部、柔性身体和摆动尾鳍三个部分并划分为多个运动环节进行分析,考虑鱼体外部环境的作用力:流体附加质量、流体加速作用的弗劳德—克里洛夫力、鱼体游动过程中的阻力特征,建立仿鱼机器人的动力学模型。数值实例表明,利用该动力学模型,能够有效地实现给定鱼体各环节的运动参数求解作用力矩、给定作用力矩求解运动规律,进一步设计仿鱼机器人各环节的运动规律,寻找一种实现鱼体推进力最大和推进效率最高的规划方法。该动力学模型的建立为研究仿鱼机器人的运动控制算法和规划算法,揭示鱼体利用流场能量的动力学机理提供了重要理论支撑。     

仿生鱼尾鳍推进并联机构设计

仿生尾鳍推进水下机器人的核心问题之一是推进机构的设计及其运动控制,而如何减小推进机构的体积,实现对鱼类尾鳍典型运动的精确模拟是其中的关键因素.提出一种新结构形式的两关节并联仿生尾鳍推进机构.基于该推进机构的简化模型,分析组成机构各杆件的运动规律,以及拍动中位角和各连杆长度之间的关系,对推进机构所占空间进行对比分析.提出转弯性能和机构奇异点对推进机构各杆件的约束条件.结果表明该并联结构方式可以实现转向,也减小推进机构占用空间.针对典型参数,对尾鳍机构进行运动仿真,结果肯定设计的合理性,为水下仿生机器人的尾鳍推进机构提供一种设计方案.