仿生机器鱼的动力学仿真

仿生机器鱼的研究受到各国越来越多的研究工作者的重视,并取得了一定的成果.本文着重研究了仿生机器鱼的尾鳍的动力学并建立了仿生机器鱼的运动模型,并对该模型进行了计算机仿真,研究探索了仿生机器鱼的前进速度与尾鳍摆角、摆动频率、摆动幅度之间的关系.     

双鱼并排游动时水动力性能研究

随着水下仿生机器人的发展,人们开始关注鱼群个体之间的能量传输.鱼类在水中游动时,尾鳍摆动会与水相互作用,形成尾涡.鱼类会从附近尾涡中汲取能量,降低自身消耗.但是,有学者指出鱼群中不同摆动相位差个体之间存在相互干扰,阻碍鱼群前进,增加了自身能量消耗.使用一种在线实时功率检测系统,检测并排游动时两条机器鱼的纯功率、速度等鱼群水动力性能随着机器鱼摆动其相位差变化趋势.同时研究了双鱼之间横向距离对纯功率消耗影响,并结合纯功率和速度计算机器鱼推力.引入效率计算方法,并结合纯功率、速度和推力,计算和拟合效率分布趋势图.     

用于避障研究的微型仿生机器鱼3维仿真系统

基于VC++6.0开发环境和OpenGL（open graphics library）国际图形标准,在Windows系统下开发了微型仿生机器鱼3维仿真系统。该系统可以降低用实体机器鱼进行机器鱼避障能力研究的成本和减少在研究过程中对实体机器鱼造成的损害。采用多边形建模的方法构建了虚拟微型仿生机器鱼模型,模拟了鱼类尾鳍的摆动。提出了一种模拟红外传感器探测障碍物的虚拟射线方法。并采用实时模糊决策算法设计了基于多传感器信息的复合模糊控制器,决策微型仿生机器鱼的避障行为。仿真实验表明,复合模糊控制器实时性好、效率高;无论是单个任意形状的障碍物还是多个连续障碍物,复合模糊控制器都能有效地引导仿生机器鱼避开障碍物,到达目标点。微型仿生机器鱼3维仿真系统为研究仿生机器鱼的自主避障能力提供了可靠、逼真、便利的平台。     

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．     

仿生机器鱼运动学模型优化与实验

以仿生学为基础的机器鱼是一种新型水下机器人,具有高速、高效、节能等方面优势。为进一步探索仿生机器鱼的运动机理,指出了当前仿生机器鱼运动学模型存在的不足,即未考虑因制造、鱼体结构的影响,而产生的头部左右摆动。故在考虑仿生机器鱼头部摆动的情况下,构建头部摆动方程,引入摆动偏移量,修正其运动学模型。利用MATLAB对模型进行优化,分析结果表明修正后的运动学模型更能够描述实体仿生机器鱼的游动特性。最后,将修正后的运动学模型,运用到三关节仿生机器鱼上进行实验,结果表明,该模型能够有效地抑制仿生机器鱼头部摆动,进而提高了仿生机器鱼的游动速度。     

弹性装置提高机器鱼推进效率的研究

以JamesLighthill的鱼类的细长体理论为基础 ,利用能量守恒定理、动量定理和波动理论来分析计算仿生机器鱼在推进中的效率 .建立了以尾鳍弹性元件阻尼系数为参数的推进效率公式 .对推进效率进行了数值仿真 .通过仿真分析得出尾鳍增加弹性元件使大型水下推进器的推进效率大为提高 ,对将来大型水下自动航行器(AUV)的进一步研制提供了一个新的思路 .     

基于舵机控制的仿生鱼设计

为实现仿生机器鱼的设计,分析鱼类游动的特点,基于舵机的工作原理,提出了自主避障的仿生鱼设计方案。根据鱼类推进理论,对仿生鱼进行了机械结构设计、软件设计。     

基于波浪能获取的多关节仿生机器鱼能源自给系统

为解决仿生机器鱼水下长期服役的能源瓶颈问题,提出利用波浪能摆动关节来发电的多关节仿生机器 鱼能源自给系统．根据随机波浪理论分析了海浪的频谱特性和获能潜力,设计了利用关节摆动发电的能源获取系 统,并建立该系统的机电模型．最后,通过仿真模拟和单关节摆动发电试验验证了该方法的可行性,为仿生机器鱼 水下长期服役的能源自给系统设计提供了参考．     

基于IPMC 驱动的自主微型机器鱼

本文从微小型鱼类的运动和受力分析入手,基于人工肌肉IPMC（离子聚合物金属复合材料）的特性, 进行微型机器鱼的结构和控制系统的设计．在此基础上实现仿小型鱼类的各种运动模式,然后,讨论了IPMC 驱动 器推进效率的优化．实验结果证明,基于IPMC 的厘米级机器鱼是可行的：通过改变控制信号的频率和占空比,实 现微型机器鱼的速度控制;通过控制胸鳍和尾鳍,实现上浮、下潜、转弯、巡游等运动模式．最后从尾鳍推进器的结 构角度分析了如何提高推进效率．     

微小型仿生机器鱼设计与实时路径规划

提出一种结构紧凑, 运动灵活, 装配多传感器, 可自主游动的微小型仿生机器鱼系统设计方案. 在仿鲹科加月牙尾模式鱼类运动研究的基础上, 给出了微小型机器鱼推进、转弯等运动的控制方法. 结合运动控制和传感器信息处理, 给出了基于红外传感器的自主避障算法和基于光敏传感器的主动趋光算法, 进而提出了基于这两种传感器信息感知的动态光源跟踪方法. 通过实验, 给出了机器鱼尾部摆动频率、幅度和运动速度之间的关系, 验证了机器鱼追踪动态光源算法, 表明了本文所提系统设计方案和算法的有效性.     

仿生机器鱼艏向摆动动力学仿真及分析

由尾鳍拍动产生侧向力导致的机器鱼的艏摇能够影响航行器的推进效率。该文首次运用Adamas软件埘北京航空航天大学机器人研究所“SPC—Ⅱ”仿生机器鱼进行了尾鳍受力分析和动力学仿真。从鱼体和尾鳍推进机构质阜比、拍动频率以及对尾鳍攻角的影响三个方面对仿真结果进行了分析，得出以下结论：随着鱼体和尾鳍推进机构质量比的增大以及频率的增大。艏摇不断减小；鱼体和尾鳍推进机构质量比小于78，没有出现共振现象；艏摇的存在会明显的衰减尾柄主臂和尾鳍攻角的角位移。     

基于仿脊髓网络的咽颌模式仿生胸鳍协调控制

根据所研制的咽颌模式仿生胸鳍的结构和驱动特点以及操纵运动的特征,构建了咽颌模式仿生胸鳍的仿脊髓控制网络.首先,根据咽颌模式推进时左右胸鳍的协调运动特点,构建左右仿生胸鳍仿脊髓控制网络之间的拓扑连接关系,实现左右仿生胸鳍的协调控制.然后,利用Matlab对仿脊髓控制网络在咽颌模式仿生胸鳍推进运动形态产生和左右胸鳍协调控制方面的性能进行仿真分析,并对比仿真结果与观测结果,发现两者非常吻合,从而证明了所构建的咽颌模式仿生胸鳍的结构和驱动方式及其仿脊髓控制网络是合理的,能够反映硬骨鱼胸鳍的操控机理,并且左右胸鳍的协调控制也具有较好的仿生性能.这些研究为高性能咽颌模式推进系统的研制、咽颌模式推进机理和神经肌肉控制机理等方面的研究提供了基础.     

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理．为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度，理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差．给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系，同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态．最后，通过实验验证了理论推导的正确性．     

基于CPG模型的仿生机器鱼运动控制

仿生机器鱼的研究已经成为一个富有挑战性的热点问题.为了控制机器鱼自身的运动和姿态,本文研究了胸鳍对机器鱼运动的影响,并且基于CPG模型,提出了一种运动控制方法.采用的控制模型由4个振荡器构成,可根据反馈的信息产生节律信号以控制机器鱼胸鳍和尾鳍的运动.根据CPG模型参数与反馈输入之间的关系,设计了机器鱼俯仰和转弯反馈控制方法,利用反馈的信息自主调节CPG参数,达到控制胸鳍运动模式的目的.仿真实验验证了控制模型和反馈策略的有效性.     

Electrostatically Actuated Robotic Fish: Design and Control for High-Mobility Open-Loop Swimming

This paper presents a project that aims at fabricating a biologically inspired robotic fish. The robotic fish is designed to be capable of propelling itself through oscillations of a flexible caudal fin, like a real underwater fish. In this paper, we describe the design features that underlie the operation of the robotic fish. These features include a unique actuator referred to as electrostatic film motor and a light and flexible power transmission system. The electrostatic film motor is made of two pieces of flexible printed circuit film and can be utilized as a new-type artificial muscle. The power transmission system permits reciprocating power to be converted to periodic oscillations and distributed to the caudal fin. Based on several design considerations inspired by biological concepts, we propose several open-loop swimming control strategies for the constructed robotic fish to accomplish fish-like motion (i.e., cruising, turning, and diving). Experiments of Seidengyo I, the first prototype of our electrostatic fish family, are carried out to confirm the validity of the original design and control. We further design Seidengyo II to improve on Seidengyo I and show the results of the experiments.