仿生波动长鳍运动学建模及算法研究

长鳍波动推进鱼类在稳定性、机动性、低速下状态保持等方面较其它鱼类有着显著优势.本文将鱼类波动 长鳍抽象为零厚度理想波动而,引入直纹面建立曲线坐标意义下波动长鳍的运动学模型,描述了长鳍波动推进时的 非等幅波动、非对称波形等运动特征.面向理论分析和数值模拟,进一步扩充直纹面模型,使之满足弯曲基线、非零 厚度等长鳍形态及运动特征,进而建立筲卡尔坐标系下的长鳍波动描述方程,相应地,设计了鱼类长鳍波动推进的 运动描述算法.根据给定形体和运动参数,对零厚度理想波动板和弓鳍目"尼罗河魔鬼"鱼进行运动学仿真,验证 了运动学模型及运动描述算法的有效性.     

柔性长鳍波动仿生推进器的波动控制研究

波动仿生推进器是以"尼罗河魔鬼"为仿生对象设计的新型水下推进装置.它依靠柔性长鳍的波动运动来实现载体的前进、后退、制动等各种机动动作.针对柔性长鳍特有的波动控制问题,本文分析了柔性长鳍的运动模型,并设计了一种分布式控制系统结构.在此基础上,提出了一种具有一定自适应能力的模糊协调控制系统.它将模糊控制器和自适应单元相结合,解决了不确定环境下柔性长鳍的波动控制问题.水池试验结果表明了控制系统的有效性.     

柔性长鳍波动推进流体动力测试平台

为辅助研究鱼类MPF推进模式中的柔性长鳍波动推进动力学问题,论文研究了构建柔性长鳍波动推进流体动力测试平台的技术方案.论文首先根据功能需求确定了测试平台的总体结构,并着重讨论了作为受试模型的柔性长鳍仿生装置以及具有6分力与6自由度运动参数测量功能的流体动力测量系统的设计与实现.测试平台利用仿生装置模拟仿生对象多种波动运动模式,借助测量系统对受试模型的各种波动运动进行静态与动态流体动力/力矩测量,并通过测控系统对整个平台进行远程测控.论文研究的测试平台将为柔性长鳍波动推进机理及控制技术研究提供重要试验平台.     

一种仿生水下机器人的设计与动力学分析

设计了一种基于波动长鳍推进的仿生水下机器人, 两侧长鳍对称安装于机器人本体两侧. 两侧长鳍分别由十个舵机驱动, 并按照余弦函数波动. 设计了实时控制器, 通过调整鳍条的振动频率和幅值达到控制长鳍运动的目的. 加速度信息和角速度信息由一个惯性测量单元采集. 为获取机器人游动性能与振动频率以及振动幅值之间的关系, 本文给出了长鳍波动运动的运动学分析和动力学分析. 本文通过将长鳍分割成若干小单元并单独计算作用于每个小单元上的作用力, 再计算所有小单元作用力在一个波动周期内的合力的方法, 获得了整个长鳍产生的平均推力. 通过前进游动和旋转游动实验, 验证了机构设计、运动学分析和动力学分析的有效性, 最后讨论了游动性能与波动参数之间的关系.     

基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人设计与实现

以基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型为背景，主要研究其设计与实现问题．首先，介绍了仿生水下机器人试验模型的设计原则及其系统总体结构，然后重点研究了仿生柔性长鳍、主控模块与通讯系统、运动控制子系统的设计方法、系统构成和工作原理，最后介绍了试验模型的系统测试与航行试验结果及其结论，并指出了仿生水下机器人试验模型的改进重点和柔性长鳍波动推进技术今后的研究方向．基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人试验模型的研制成功，初步验证了柔性长鳍波动推进方式应用于水下机器人推进控制系统在原理上和技术上是可行的．     

斜尖柔性针在软组织中的二维路径规划

针对斜尖柔性针在软组织中的2维路径规划问题,首先基于柔性针的运动特性,提出了改进的单轮车运动学模型,并利用旋量理论和指数积方程计算了运动学正解,从运动学的角度证明了穿刺直线路径的可行性.基于此运动学模型,提出了采用多种路径形式的路径规划算法,同时考虑入针姿态的优化,建立了优化目标函数.在有障碍的情况下对针的穿刺路径进行...     

基于强化学习的波动鳍推进水下作业机器人悬停控制

本文针对波动鳍推进水下作业机器人的悬停控制问题开展研究. 首先, 给出了波动鳍推进水下作业机器人 的运动学模型、动力学模型和波动鳍的参数–力映射模型, 建立了基于马尔可夫决策过程的悬停控制训练框架. 其 次, 基于模型结构和训练策略, 使用强化学习的方法进行网络训练, 得到最佳的悬停控制器. 最终, 在室内水池中完 成了波动鳍推进水下作业机器人的悬停控制实验, 实验结果验证了所提方法的有效性.     

基于有限元方法的3-PPSR大长径比柔性并联机器人刚度模型分析

为实现较大工作空间的运动,设计了一种大长径比的3-PPSR结构的微操作柔性并联机器人.该机器人由压电马达驱动,采用大长径比柔性铰链连接,柔性铰链的变形范围在毫米级,适用于要求大变形的场合,同时具有结构简单、无奇异、无间隙、运动精度高等特点.由于系统的刚度直接影响系统的运动精度、承载负荷等性能,针对大长径比柔性铰链特点,运用有限元方法,建立了柔性铰链的数学模型,并采用整体刚度的方法,结合机构协调方程和力平衡方程,得到系统的柔性刚度模型.最后,采用ANSYS比较了所建理论刚度模型结果与有限元模型分析的结果.分析结果表明,理论刚度模型合理,符合机构的运动特征.     

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。     

柔性机器人协调操作闭链负载机构的一般模型

本文利用闭链刚性负载内部运动参数之间的微分关系,在单柔性机器人有限元动力 学模型基础上,建立了系统的运动学和动力学协调约束条件,首次导出了基于负载运动任务 参数的柔性机器人协调操作闭链刚性负载的动力学方程,并给出了两3R柔性机器人协调操作 刚性四杆机构的仿真算例．     

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).     

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．     

Dynamics and Motion Planning of Trident Snake Robot

The trident snake robot is a mechanical device that serves as a demanding testbed for motion planning and control algorithms of constrained non-holonomic systems. This paper provides the equations of motion and addresses the motion planning problem of the trident snake with dynamics, equipped with either active joints (undulatory locomotion) or active wheels (wheeled locomotion). Thanks to a partial feedback linearization of the dynamics model, the motion planning problem basically reduces to a constrained kinematic motion planning. Two kinds of constraints have been taken into account, ensuring the regularity of the feedback and the collision avoidance between the robot’s arms and body. Following the guidelines of the endogenous configuration space approach, two Jacobian motion planning algorithms have been designed: the singularity robust Jacobian algorithm and the imbalanced Jacobian algorithm. Performance of these algorithms have been illustrated by computer simulations.     

基于闭环矢量法的五杆合作机器人运动学建模及仿真

利用闭环矢量法对五杆机构进行正运动学建模,给出了五杆并联机器人的闭环矢量方程,推导了其运动学方程,并用MATLAB软件编写MATLAB函数来求解运动学方程.利用Simulink仿真工具建立了五杆合作机器人的运动学仿真模型,仿真分析得到了运动学仿真曲线.研究过程表明,采用闭环矢量法对五杆并联机器人进行运动学分析既简便又快捷.这种方法对其他复杂平面并联机构的运动学分析具有一定的参考价值.     

Microcomputer-based real-time control of a pantograph mechanism robot

This paper presents a technique for microcomputerbased real-time control of a three-axis pantograph robot. The dynamic model of a pantograph type manipulator, which includes both the kinematic and kinetic equations of motion. is first established by applying Lagrange's method. In order to improve the computational efficiency, the nonlinear and coupled coefficients of the equations of motion are then simplified by using a piecewise planar surface fitting scheme. The pantograph manipulator possesses three independently powered joints. Each joint provides position and rate feedback to a proportional and derivative (PD) type servo controller. Simulation results show that the proposed simplification and control algorithms are very suitable for microcomputer-based real-time control of a simple pantograph type manipulator.     

缔合体系精馏过程模拟软件开发

建立了缔合体系相平衡模型,并对含缔合组分汽相焓进行了校正,液相用NRTL、Wilson方程修正其非理想性计算出的汽液相平衡数据及焓值,用于缔合体系多股进料精馏模拟取得了满意的效果。本软件采用三对角矩阵法求解精馏过程的MESH方程组,用Visual Basic 6．0开发出缔合体系精馏模拟软件,同时软件也包括了一般体系的多元复杂精馏模拟。     

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．