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。     

基于人工侧线的相邻仿生机器鱼感知研究

侧线系统是鱼类重要的感知器官,鱼类可以通过侧线器官实现对周围环境的感知,从而进行捕食、避敌以及一些群体行为.鱼类尾鳍摆动时会形成反卡门涡街,研究反卡门涡街对于仿生机器人的位姿和运动状态感知具有重要意义.以仿生机器鱼为平台、以侧线系统为依据,在机器鱼上实现人工侧线系统,当前方不同相对横向位置处机器鱼尾鳍摆动时,利用人工侧线实现对尾鳍摆动产生的反卡门涡街进行信息感知,从而间接识别机器鱼的相对横向位置,为群体机器鱼的相互感知提供了新思路.     

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.     

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CFD的仿鲹科机器鱼动力学建模与运动控制

仿生机器鱼的运动控制是仿生机器鱼推广应用的基础;然而,仿鲹科机器鱼的推进一般采用鱼体波数据,很少采用真实鱼类游动数据;为了深入探究仿鲹科机器鱼运动控制方法,采用了计算流体力学方法,通过标定流体介质、来流速度、鱼体几何形状等措施,利用Fluent软件进行了建模,然后针对鱼体波数据和真实金枪鱼游动采样数据两种不同推进数据对仿生机器鱼进行了仿真和实验;结果表明对于多关节仿生机器鱼推进方面,真实金枪鱼游动采样数据相较于常见的鱼体波产生的推进数据,在躯干进行大幅值摆动的情况下效果更好;这一仿真和实验对比为仿鲹科机器鱼的高效运动控制提供了一种新思路。     

具有嵌入式视觉的仿生机器鱼头部的平稳性控制

具有嵌入式视觉的仿生机器鱼的摄像头往往安装在头部,为了获取稳定的图像数据,研究了游动过程中头部的平稳性控制问题.首先,基于牛顿-欧拉方法对仿生机器鱼的水动力学进行建模.然后,基于动力学模型,比较了两种鱼体波模型下的机器鱼头部摆动情况.进一步地采用遗传算法对输入到运动关节的参数进行优化,实现机器鱼头部的最小摆动.最后,在自主设计的具有嵌入式视觉的仿生机器鱼上进行了实验.结果表明,在平稳性控制后,头部的摆动幅度明显减小,采集到的图像的稳定性与连续性有较大改进,但游动速度有所降低.该方法为基于嵌入式视觉的运动控制与任务执行提供了有效保障.     

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。     

胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析

作为一种新颖的应用于仿生机器鱼制作的推进模式,胸鳍摆动推进模式因其具有的独特优势而引起国内外科研人员的重视。本文系统介绍了国内外采用摆动胸鳍推进的仿生鱼的研究现状,重点分析了此类仿生鱼样机的结构特征和推进性能。通过对现有研究成果的分析,得出了胸鳍摆动推进式仿生的研究发展趋势。     

水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制

本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼．该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力 学性能的实验平台，具有刚性头部、5关节的柔性身体和月牙形尾鳍，采用无线遥控．机器 鱼体长890mm，水中最大速度为20cm/s，最大转弯角速度为120°/s,最小转弯半径为40cm． 综合性能测试实验和C形运动控制实验表明，该机器鱼具有较好的游动性能和较高的机动性 能．     

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．     

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.     

基于自供电的磁流变阻尼器内部状态无线监测系统设计

为了获取磁流变阻尼器内部状态参数并解决能量供给问题,设计了一套基于自供电技术的磁流变阻尼器内部状态无线监测系统。通过能量采集装置将服役状态下磁流变阻尼器中磁流变液的动能转换为电能,再经能量管理电路进行高效充放电管理,为无线发射模块和传感器供电,无线发射模块将传感器采集到的数据发送给外部接收模块进行处理。实验结果表明:采集到的能量能够驱动无线传感模块正常工作,该系统能准确获取阻尼器内部温度、压强信息,为磁流变阻尼器的进一步研究提供理论依据和技术支持。     

Synchronized switch harvesting applied to self-powered smart systems: Piezoactive microgenerators for autonomous wireless receivers

This paper introduces the conceptual architecture of a fully integrated, truly self-powered structural health monitoring (SHM) scheme. The challenge here is to power an array of numerous distributed actuators and sensors as well as wireless data transmission modules without recurring to heavy and costly wiring. Based on microgenerators which directly convert ambient mechanical energy into electrical energy, using the synchronized switch harvesting (SSH) method, the proposed solution allows avoiding the periodic replacement or reloading of batteries. This addresses environmental and economic issues at the same time, knowing that such elements are heavy, polluting and might be installed in rather inaccessible locations. Indeed, especially in airborne structures saving weight and maintenance cost is of priority importance.Previous work showed that such microgenerators provide a stand-alone power source, whose performances meet the requirements of autonomous wireless transmitters (AWTs) that comprise an acoustic Lamb wave's actuator and a radio frequency (RF) emitter (D. Guyomar, Y. Jayet, L. Petit, E. Lefeuvre, T. Monnier, C. Richard, M. Lallart, Synchronized switch harvesting applied to self-powered smart systems: Piezoactive microgenerators for autonomous wireless transmitters, Sens Actuators A: Phys. 138 (1) (2007) 151–160, doi:10.1016/j.sna.2007.04.009). Following this work, the present contribution presents a further step towards the integration of the SHM technique. It shows the ability of our microgenerators to provide enough energy to give logical autonomy to each self-powered sensing node, named autonomous wireless receiver (AWR), and thus to provide some local (decentralized) pre-processing ability to the SHM system.A preliminary design of the device using off-the-shelf electronics and surface mounted piezoelectric patches will be presented. Since the existence of a positive energy balance between the harvesting capabilities of the SSH technique and the energy requirements of the proposed device will be proved, the system formed by the combination of the AWR with the previously developed AWT, is a proof of concept of truly self-powered smart systems for damage detection in simple structures, setting apart application-specific optimization or miniaturization concerns that will be addressed in future works.     

自驱动植入式能源收集器件的研究进展

植入式医疗电子器件对于人体健康监测及治疗至关重要,其正常运转需要外界电池供能,而 电池电能耗尽后需要二次手术更换,该过程会对病人身心造成二次伤害并带来沉重的经济负担。人体 运动的机械能和体内的化学能,如心跳、呼吸、血液循环和葡萄糖的氧化还原等,都具有转化为电能 的潜力。近年来,自驱动能源收集技术的不断发展使得体内能量被有效收集后,可为植入式医疗电子 器件供能。自驱动植入式能源收集器件主要包括压电纳米发电机、摩擦纳米发电机、光伏电池、热释 电发电机、自驱动腕表、生物燃料电池和耳蜗内电位收集器等。该文讨论了植入式能源收集器件的种 类、代表性应用及现存的挑战,并对其未来的应用进行了展望。     

基于Stackelberg博弈的双层水下传感器网络功率分配算法

针对水下传感器协作通信网络中能量消耗严重的问题,为了平衡节点间的能量消耗,同时提高系统的信道容量,提出了基于节点剩余能量的分布式博弈功率分配算法。将用户节点和中继节点间的交易模型构建为双层的Stackelberg博弈,使剩余能量少的节点提供较少的功率进行转发服务,反之则提供较多的功率进行服务,从而平衡节点间的能量消耗。与未考虑剩余能量的算法相比,在有2、3和4个中继节点时,信道容量分别提升了9.4%、23.1%和16.7%。仿真结果表明,该算法不仅提高了系统总的信道容量,而且延长了水下传感器协作通信网络的生存时间。     

新型仿生水下子母机器人系统设计

传统的水下子母机器人在水下作业时母机器人会有噪音大、体积大和隐蔽性差的缺点,而且子机器人作为提高水下机器人位置精度和续航时间的重要手段大多采用尾部摆动、机身两侧划水、小型螺旋桨推进等方式,造成运动过程中稳定性差、噪音大而且尺寸难以微型化的缺点.为了克服这些不足,设计一种新型仿生水下子母机器人系统.该系统球形母机器人采用喷水电机进行喷水推进,减少噪音,增加隐蔽性,并为微型子机器人提供控制信号和能源.微型子机器人以樽海鞘为原型基于仿生原理设计,在水下运动透明度高、隐蔽性强、稳定性高.建立球形母机器人的喷水推进器和微型子机器人的微型驱动器的驱动力计算模型,同时建立微型子机器人的水下转向模型.最后制作子母机器人样机并进行子母机器人的水下运动实验,以验证所设计的子母机器人系统的有效性.     

Recent Techniques for Harvesting Energy from the Human Body

The human body contains a near-infinite supply of energy in chemical, thermal, and mechanical forms. However, the majority of implantable and wearable devices are still operated by batteries, whose insufficient capacity and large size limit their lifespan and increase the risk of hazardous material leakage. Such energy can be used to exceed the battery power limits of implantable and wearable devices. Moreover, novel materials and fabrication methods can be used to create various medical therapies and life-enhancing technologies. This review paper focuses on energy-harvesting technologies used in medical and health applications, primarily power collectors from the human body. Current approaches to energy harvesting from the bodies of living subjects for self-powered electronics are summarized. Using the human body as an energy source encompasses numerous topics: thermoelectric generators, power harvesting by kinetic energy, cardiovascular energy harvesting, and blood pressure. The review considers various perspectives on future research, which can provide a new forum for advancing new technologies for the diagnosis, treatment, and prevention of diseases by integrating different energy harvesters with advanced electronics.     

面向交通能源融合的路侧单元传输控制优化策略

针对如何提高自供电路侧单元服务满足数量的问题,提出一种在自供电路侧单元平均能效约束下最大化满足车辆服务请求数量的传输控制策略.该策略按照待服务车辆权重次序以车辆位置和能量队列长度为系统状态作出传输控制决策.通过建立自供电路侧单元传输控制决策的马尔可夫链模型,对服务过程中平均完成请求数和平均能效进行分析,进而提出一个非线性优化问题并求解,获得最优传输控制策略及其调度参数.仿真结果表明,上述自供电路侧单元最优传输控制策略具有位置状态和能量状态的双门限结构,相比于贪婪策略和Q- learning方法分别在能效方面平均提升了20.55%与11.86%,在服务稳定性方面,相比于其他两种策略,停电概率与不服务概率分别平均下降了20.03%与15.14%,具有能效和稳定性上的优势.