仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。     

基于双斜面偏转关节的新型仿生机器鱼推进机构研究

提出一种用于仿生机器鱼的新型尾部推进机构,该机构主要由双斜面偏转关节构成,可通过调节推进机构的2个驱动电机耦合转动来完成其两自由度偏摆运动。首先,阐明了该两自由度耦合偏摆关节的运动学机理,并通过ADAMS运动仿真,验证了其应用于机器鱼上实现直线游动的可行性。然后,建立了仿生机器鱼的直线巡游控制策略,并采用无人机航拍在户外水塘中进行了直线游动实验。水下实验测试结果表明,该仿生机器鱼可实现速度可控的直线巡游,最大速度为0.69m/s。与现有结果相比,基于双斜面偏转关节的仿生推进机构可为机器鱼设计提供新的参考。     

基于CFX的仿生鱼尾摆动水动力仿真及优化

仿生机器鱼作为一种独具特色的水下机器人,备受军事、工业部门广泛关注。文中介绍了一种基于CFX的二维摆动尾鳍推进性能的水动力仿真分析方法,采用先进计算流体力学方法对其长度、摆动频率进行分析。通过选取较好的尾鳍物理、运动参数,达到二维摆动尾鳍高效推进的目标。采用三次样条曲线拟合尾鳍摆动的振型函数,实现其振型函数优化,以提高推力、增大航程。结果表明优化后的振型函数可使尾鳍获得更大的推力,较初始振型函数可提高548.8%。     

两栖仿生机器鱼行为方式及其实现

以两栖四关节机器鱼为研究对象,详细说明了一般鱼类的行为方式及机理,并以此设计出新型摆动式柔性尾部的仿生机器鱼。该机器鱼依靠简单可靠、成本低廉的机构,较真实地模仿鱼的动作,实现了机器鱼在水中的灵活游动和沉浮等,具有推进方式简单、推进效率高、转弯半径小、噪声低等优点,为水下作业、水下探测等创造了条件。     

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     

身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析

随着海洋资源越来越受到国家重视,水下机器人已成为科研的热点。仿生机器鱼作为水下机器人,具有低噪声、对环境扰动小等特点。身体/尾鳍推进模式(Body and/or caudal fin,BCF)仿生机器鱼是指以身体/尾鳍推进模式推进的仿生机器鱼,它具有高速、高效、机动性高等优势,是近年来仿生机器鱼研制的重点。随着1994年首条仿生机器鱼的研制成功,许多优秀的相关研制成果已应用到水下考古、水质监测、污染检测等领域。基于此,介绍BCF鱼类的分类及特点、BCF生物鱼以及仿生鱼的推进机理,并着重介绍国内外BCF仿生样机的研制进展,对已有样机的驱动方式、机械结构和游动性能进行详细分析,揭示不同驱动方式所面临的技术问题,在此基础上总结BCF仿生机器鱼的发展趋势和应用前景。     

3自由度胸鳍机器鱼动力学建模及推进性能分析

为了提高仿生机器鱼在复杂水环境中的游动性能和推进效率，文中设计了一种3自由度胸鳍机器鱼推进机构，研究了鱼体在3自由度胸鳍推进和两侧胸鳍与尾鳍协同推进两种模式下的游动性能。首先，基于鱼体波传播理论分析3自由度胸鳍关节空间运动规律，采用微元法分析建立其动力学模型，并对不同推进方式下运动参数的影响程度进行了比较和仿真。仿真结果表明：当两个胸鳍相互协同时，机器鱼的平均速度为0.28 m/s,当双侧胸鳍与尾鳍共同协同时，机器鱼的平均速度为0.42 m/s,对比发现胸鳍和尾鳍协同推进时速度更高且推力更大，可实现较宽的游速范围，推进性能更好。     

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。     

扑翼型机器鱼的建模及实现

把昆虫和鸟类的翼在空中张合和鱼的胸鳍在水中摆动进行类比,结合水下扑翼型推进鱼的原型,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料加入扑翼飞行器实现机器鱼的水下复合推进.设计利用曲柄摇杆机构实现扑翼运动,使用弹簧作为连接胸鳍与舵机的力传输元件,有效降低能量损耗;在尾部的沉浮舵通过拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉.实验证明,这种机器鱼实现了预期的扑翼形式.     

胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究进展

胸鳍摆动推进模式鱼类兼具高机动性、高效率和较高运动速度等优势特征,以此种鱼类为自然原型构建仿生机器鱼成为水下机器人研究领域的一个热点问题。通过对牛鼻鲼生物学研究成果的总结和实地观测分析,得出胸鳍摆动推进模式鱼类的典型身体结构特征和运动变形规律。系统总结胸鳍摆动推进模式仿生鱼研究领域中摆动胸鳍功能单元理论和试验研究情况以及仿生鱼样机构建的国内外研究现状。着重介绍研究小组在胸鳍摆动推进仿生鱼研究中所取得的阶段性成果,并在游动速度方面与本领域内的其他样机进行对比。通过对当前胸鳍摆动推进仿生鱼研究成果进行分析,得出现有仿生样机与自然原型存在差距的主要原因。随着研究的不断深入,胸鳍摆动推进仿生鱼样机性能与自然原型之间的差距必将逐渐缩小,实际应用前景广阔。     

机器鱼自主游动中变形体耦合动力学的数值研究

为机器鱼的自主巡游、机动转弯和"加速—滑行"游动的动力学特性研究做准备,结合样机试验数据来证明所选驱动方式的优越性,提出一种新的求解机器鱼自主游动动力学的数值算法。认为鱼体质心在绝对系下的运动是由流体外力与自身主动变形共同作用的结果;运用离散化方法推导出新的鱼体域的控制方程,从而提出新的算法。给定鱼体系下机器鱼的主动变形方程,通过耦合求解鱼体域、流体域的控制方程,得到机器鱼的运动过程中的运动学和动力学参数。通过自主游动算例验证了所提数值算法的正确性。     

仿生机器蟹运动系统能量分析

对仿生机器蟹行走过程中关节能量进行分析，目的是决定系统性能和在系统运动过程中的运动变量的最优选择。这些运动变量主要包括步态、占空系数、躯体高度、步长、最大的抬腿高度等。定义了平均功率、平均功率偏差、平均驱动力矩3个指标，用于定量地衡量仿生机器蟹行走过程中关节能量的变化。依据指标设计了一系列的试验，得到了运动参数与关节能量之间的关系及运动参数选取的参考数据。     

应用超声电机的多关节机器人的设计与分析

主要设计了一个由超声电机驱动多关节机器人手臂。这种电机单位质量的转矩高,在低速下有大转矩输出,且不产生电磁干扰。利用ADAM S软件平台模拟机构的运动学和动力学,整体性能预测,结构模型优化,利用仿真结果重新设计手臂结构,为物理样机设计制造提供依据。     

机器人制造陶瓷原型系统的研究

提出了采用工业机器人快速制造陶瓷熔射原型的方法。利用建立的数字化检测平台,测试机器人的点位置重复精度、直线轨迹位置精度和轨迹重复精度,找到其精度特性;建立NC代码与机器人代码的转换公式,得到了生成合适的机器人铣削路径代码的算法和CAM软件;根据机器人的精度特性和合适的加工路径,实际加工了用于熔射制模的陶瓷型熔射原型,验证了机器人制造系统的可行性。     

Configuration Design of an Under-Actuated Robotic Hand Based on Maximum Grasping Space

Capture is a key component for on?orbit service and space debris clean. The current research of capture on?orbit focuses on using special capture devices or full?actuated space arms to capture cooperative targets. However, the structures of current capture devices are complex, and both space debris and abandoned spacecraft are non?cooperative targets. To capture non?cooperative targets in space, a lightweight, less driven under?actuated robotic hand is proposed in this paper, which composed by tendon?pulley transmission and double?stage mechanisms, and always driven by only one motor in process of closing finger. Because of the expandability, general grasping model is constructed. The equivalent joint driving forces and general grasping force are analyzed based on the model and the principle of virtual work. Which reveal the relationship among tendon driving force, joint driving forces and grasping force. In order to configure the number of knuckles of finger, a new analysis method which takes the maximum grasping space into account, is proposed. Supposing the maximum grasped object is an envelope circle with diameter of 2.5m. In the condition, a finger grasping maximum envelope circle with different knuckles is modeled. And the finger lengths with corresponding knuckles are calculated out. The finger length which consists of three knuckles is the shortest among under?actuated fingers consists of not more than five knuckles. Finally, the principle prototype and prototype robotic hand which consists of two dingers are designed and assembled. Experiments indicate that the under?actuated robotic hand can satisfy the grasp requirements.     

柔软管道中机器人蠕动机构研究

机器人主动内窥镜是利用机器人改造传统的纤维内窥镜的技术,以减少穿孔率、降低对插入技艺的依赖性和提高检测过程的自动化。作为机器人主动内窥镜的关键部分之一,本文探讨基于计算机气动阀控技术的蠕动原理、机构实现和系统实验等。     

机器人精加工陶瓷原型技术的路径规划研究

研究了机器人精加工陶瓷原型技术的路径规划方法.生成四种加工路径方案,对比分析了采用这些加工路径得到的精度和效率,提出一种合理的机器人精加工陶瓷原型路径设计方案.根据此方案生成加工路径,实际加工了用于熔射制模的陶瓷原型,其精度及表面质量均满足熔射要求,验证了该加工路径方案的可行性.     

基于虚拟样机的挖掘机器人轨迹规划控制仿真和优化技术研究

阐述了用虚拟样机技术进行挖掘机器人轨迹规划控制的仿真和优化的必要性;提出了轨迹规划控制的实现方案,分析了关键技术及其解决方法,重点研究了用挖掘机器人虚拟样机进行控制系统参数优化和轨迹规划仿真实验的方法,并以动态响应特性的仿真为例,用物理样机的相应实验结果验证了虚拟样机轨迹规划控制仿真实验模型的正确性;借助在虚拟样机上的仿真实验,分析了液压系统流量分配对轨迹规划效果的影响,提出了轨迹规划的改进措施,用以提高轨迹规划的速度和轨迹跟踪的精度。     

基于复杂零件五轴加工系统的可重构机器人建模与试验

将数控机床的通用编程语言G代码应用于加工轻质材料、低公差自由曲面复杂零件的可重构机器人多轴加工系统,并将复杂曲面加工的五轴立式关节机器人视为倾斜五轴（X,Y,Z,A,B）立式铣床的特殊配置,开发出了机器人的控制系统原型。阐述了机器人的建模方法,包括运动学问题的正向解和逆向解的求解方法;分析了机器人三轴、五轴加工时的工作空间;通过三个轻质材料试件的加工试验,验证了实验机器人加工控制系统原型的编程、控制和加工能力。     

考虑驱动耦合的绳驱动外肢体机器人运动建模及控制研究

针对绳驱动外肢体机器人由于其布线形式及驱动耦合所造成的运动建模复杂及控制精度低等问题,研究了一种考虑驱 动耦合的绳驱动外肢体机器人运动建模及控制方法。 基于 D-H 法和欧拉变换原理构建了刚柔一体外肢体机器人的运动学模 型,并根据关节耦合机理推导相邻关节间的主动解耦模型,提出了一种基于驱动解耦运动学模型的外肢体控制策略。 最后搭建 了外肢体机器人实验样机,并对其所建运动模型及控制方法进行验证。 结果表明,机器人末端多点定位误差最大为 7. 45 mm, 移动路径最大误差为 7. 24 mm,总体误差平均值为 6. 08 mm,由此验证了所提的刚柔一体外肢体机器人驱动解耦运动学模型和 控制策略的正确性,具有较好的控制精度和运动品质。