NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性，选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究，对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析，同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力；并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较，验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析，说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金（SMA）丝驱动型仿生蝠鲼机 器鱼．首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型．然后对能够模仿蝠 鲼肌肉动作的智能材料进行了分析．最后设计了SMA 丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA 丝 的热力学特性,确定了控制规律．该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔 性仿生胸鳍,直线游动速度达到79 mm/s,最小转弯半径为118 mm．该机器鱼游动稳定性好,无噪声．     

基于TRIZ理论的叶片仿生设计与有限元力学分析

改善风力机叶片气动性能,提高叶片刚度、稳定性,已成为大型风力机叶片设计迫切需要解决的问题。生物体独特的外部形状、功能、结构、材料的完美统一,高超的环境适应能力,也为风力机仿生设计提供了不竭灵感。仿生过程是一个分析综合创新的过程,运用TRIZ产品进化理论对风力机叶片技术所处发展阶段进行研究,有助于更清楚地了解风力机叶片的发展趋势和创新的必要性,使研究工作更具系统性和规律性。应用TRIZ产品进化理论,对风力机叶片技术的相关专利数据进行统计并绘制曲线图,通过与标准曲线的区段比较找出风力机叶片所处的发展阶段和接下来的发展趋势与对策。将鱼鳍作为仿生对象进行建模与力学分析,得到仿生模型的力学指标。     

仿蚯蚓蠕动微机器人牵引与运动控制

为进入人体腔道开展作业，开发了一种直径6mm的仿蚯蚓多关节蠕动微机器人样机．机器人使用十字万向节连接直线驱动器，在弯曲腔道中能自适应改变自身姿态．基于Preisach模型和偏转模型，提出了形状记忆合金偏转机构的前馈控制方案，头舱控制最大偏转误差为2.6°．基于新型蠕动原理，建立了牵引模型，给出了有效驱动的条件．对机器人的牵引力、运动速度、在不同摩擦系数介质表面上的运动能力、头舱姿态进行了试验．结果表明，机器人的爬坡能力依赖于机器人和运动表面间的摩擦系数，新型蠕动原理能提供较大的牵引力，合适的驱动频率下可以得到最大的运动速度．     

悬臂板条结构动力学与振动控制分析

基于Lagrange-Germain弹性薄板理论，采用Hamilton列式求解方法，研究了悬臂板动力学与振动控制问题．确定了平板中纵横振动模式存在的色散关系，给出了问题的解析解．基于乎板振动的构造解，对板条结构的振动实施了主动控制．本文还做了数值仿真，并对结果进行了分析讨论．     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上，设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构，介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模，并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程，对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析，建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性，为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．     

一种新型的热致变形材料

简单介绍了一种新型的热致变形材料一形状记忆合金的性能特点。综述了形状记忆合金在温度传感器中应用的现状，井对传感器的类型、结构及用途进行了概述，对形状记忆合金在该领域的应用前景作了简要探讨。     

交流电机系统中的模糊控制研究

本文对模糊控制的理论方法目前在交流电机系统中的应用作了全面的分析和总结． 针对交流电机系统控制的特点，重点讨论了简单模糊控制、复合模糊控制以及仿生模糊控制 等几种典型的模糊控制方法和技术，分析了它们各自的特点和存在的问题，并给出了模糊控 制的实现方法和手段．最后，对模糊控制在交流电机系统中应用的关键问题和未来发展方向 进行了展望．     

基于实体单元的薄板成形模拟

传统有限元分析薄板成形一般使用壳单元进行模拟,忽略薄板沿厚度方向应力应变的变化,这很难反映薄板弯曲变形部分的状况.基于连续介质力学及有限变形理论,借助于计算机仿真技术,利用LS-DYNA软件中的实体单元模拟了低碳钢板深冲成筒形件的过程,得到了薄板在冲压成形过程中的应力应变场,并分析了板料各区域的受力变形情况,发现了凸凹模圆角处薄板沿厚度方向的应力应变分布并不均匀,这些模拟结果对筒形工件的深冲压加工具有一定的指导意义.     

一种仿生壶腹嵴的振动传感特性研究

为了研究人耳半规管中壶腹嵴的振动传感特性,本文采用表面对称电极含金属芯PVDF纤维(SMPF)传感器,代替人体纤毛细胞感受器,并模仿人体壶腹嵴的结构,设计制备了一种仿生壶腹嵴。根据压电方程和振动理论,建立了仿生壶腹嵴的振动传感理论模型。搭建了实验系统,测试了仿生壶腹嵴的振动传感功能。实验结果表明,仿生壶腹嵴在液体压力作用下可以产生相应的变形,而通过SMPF的输出电荷信号,可以感知仿生壶腹嵴受到的振动激励,包括正弦与冲击振动的波形、频率和幅值。实验结果验证了理论模型,同时验证了人体半规管中,壶腹嵴具有振动感知的能力和作用。     

基于SMA的关节驱动器的力学分析及控制

分析了一种用于水下微小型仿生机器人的形状记忆合金(SMA)关节驱动器的力学特性,并通过模糊控制的方法对其进行了实验研究。结果表明:对于物理特性呈非线性、温度滞后、时变和受温度影响很大的SMA驱动器来说,采用模糊控制的方法,能够使驱动器稳定、平滑的工作,尽管产生了轻微的超调现象,但收到了令人较为满意的效果。因此,将模糊控制方法应用于SMA驱动器的控制有一定的理论意义和应用价值。     

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.     

A Computational Fluid Dynamics （CFD） Analysis of an Undulatory Mechanical Fin Driven by Shape Memory Alloy

Many fishes use undulatory fin to propel themselves in the underwater environment. These locomotor mechanisms have a popular interest to many researchers. In the present study, we perform a three-dimensional unsteady computation of an undulatory mechanical fin that is driven by Shape Memory Alloy (SMA). The objective of the computation is to investigate the fluid dynamics of force production associated with the undulatory mechanical fin. An unstructured, grid-based, unsteady Navier-Stokes solver with automatic adaptive remeshing is used to compute the unsteady flow around the fin through five complete cycles. The pressure distribution on fin surface is computed and integrated to provide fin forces which are decomposed into lift and thrust. The velocity field is also computed throughout the swimming cycle. Finally,a comparison is conducted to reveal the dynamics of force generation according to the kinematic parameters of the undulatory fin (amplitude, frequency and wavelength).     

超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微型机器人

研制了以超磁致伸缩薄膜为驱动器的仿生游动微型机器人，其作业原理是以超磁致伸缩薄膜驱动器为尾鳍，通过改变时变振荡磁场的驱动频率，在超磁致伸缩薄膜的磁机耦合作用下,将时变振荡磁场能转换成驱动器的振动机械能，振动的超磁致伸缩薄膜驱动器再与液体耦合，便产生了机器人的推力．由于超磁致伸缩薄膜为非接触式驱动，因此机器人不需要电缆驱动．基于仿生游动原理，提出一种计算推力的数学模型，以建立的超磁致伸缩薄膜受迫振动模型的前三阶谐振频率模态为尾鳍的摆动，对振动薄膜产生的推力进行了计算．实验验证了理论分析的正确性，表明仿生游动微型机器人的方案切实可行．     

Experimental and analytical study on factors influencing biomimetic undulating fin propulsion performance based on orthogonal experimental design

This paper presents an experimental study on the structural and motion parameters of a biomimetic mechanical fin, as actuators for biomimetic underwater vehicles, and their influences on its propulsion performance. Orthogonal experimental design method is employed to optimize the test scheme due to its capability of reducing experiment time and rapid determination of influencing factors. A L64 orthogonal array is adopted in our seven-factor mixed factorial experiment with three structure parameters and four motion parameters. The experimental results of range analysis and variance analysis are discussed. The statistic results show that the fin-ray configuration, sway frequency, wave number, and rigidity of membrane are the primary factors affecting the integrated propelling performance of the biomimetic mechanical fin. Optimizing these parameters needs to compromise the propelling speed, efficiency, and maximum output power of the actuator. The analytic results are also in agreement with theoretical analysis and simulation study on inclined angle of fish fin-ray. Consequently, proper modification of the inclined angle of the fin-ray might improve not only the propelling speed and acceleration but also the propelling efficiency.     

仿生魟鱼环形胸鳍波动推进的流场仿真

针对自主设计的仿生魟鱼水下机器人环形胸鳍波动推进过程进行了流场仿真研究。基于魟鱼前进运动时的胸鳍波动特征,建立了仿生环形胸鳍三维波动运动模型。利用CFD对胸鳍波动推进过程进行数值计算,分析了波动胸鳍产生的拉力以及前向运动的速度等推进性能。研究了周期波动过程中鳍面的周向压力分布,进行鳍面附近核心涡以及切面二维涡分量的计算,分析了涡的产生、发展以及尾迹涡的相关特性。结果表明,稳定后的拉力系数以近似正弦波形式进行波动,鳍面波动前后缘分布的高压和低压区域随波动沿周向从前往后传播,环形波动长鳍最终在尾迹处形成卡门涡,流场分析为仿生魟鱼水下机器人的运动控制及性能优化提供理论基础。     

Locomotion and Depth Control of Robotic Fish with Modular Undulating Fins

This paper presents an environmental-friendly robotic system mimicking the undulating fins of a fish. To mimic the actual flexible fin of real fish, a fin-like mechanism with a series of connecting linkages is modeled and attached to the robotic fish, by virtue of a specially designed strip. Each link is able to turn and slide with respect to the adjacent link. These driving linkages are then used to form a mechanical fin consisting of several fin segments, which are able to produce undulations, similar to those produced by the actual fish fins. Owing to the modular and re-configurable design of the mechanical fin, we are able to construct biomimetic robotic fish with various swimming modes by fin undulations. Some qualitative and workspace observations by experiments of the robotic fish are shown and discussed.