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。     

仿生机器鱼的运动学参数及实验研究

研究了尾鳍运动参数对推进速度的影响，进行了2关节仿生机器鱼与单关节尾鳍摆动式水下推进器的对比实验，给出了实验结果。实验结果表明2关节仿生机器鱼比单关节尾鳍摆动式水下推进器在相同实验条件下具有更高的推进速度。该仿生机器鱼可以实现对水下运动装置的推进，并且具有噪声低、对环境扰动小等特点。     

3 自由度仿生机器鱼尾鳍试验装置

3自由度仿生机器鱼尾鳍试验装置是专门用于模拟、演示3自由度仿生机器鱼尾鳍运动姿态和测量尾鳍力能参数的装置.针对工作环境和设计要求,综合运用生物仿生学、机器人学、机构学、工程力学及数控技术等理论和技术,探讨了3自由度仿生机器鱼尾鳍试验装置的原理及设计方法.该试验装置为各种形式仿生机器鱼的研制开发提供了一个模拟运动状态和测量力能参数的试验平台,对仿生机器鱼技术的研究具有重要意义.     

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。     

两栖仿生机器鱼机构设计及初步运动仿真

对国内外机器鱼的研究现状及研究成果进行分析,设计出四关节结构且可两栖行走的仿生机器鱼,对工作原理、关节结构设计及两栖行走装置设计详细介绍,简述其可完成的动作,依据机械控制的基础理论建立简单串联模型,并给出机器鱼两个运动方案,进行运动学的初步仿真,最终总结两栖仿生机器鱼的运动仿真结果。     

四关节仿生机器鱼的运动曲线分析

以四关节仿生机器鱼为研究对象,根据鱼体波运动曲线方程,推导出仿生机器鱼四个关节转动的数学模型。通过设置不同的振幅系数和偏振系数,运用MATLAB仿真软件,得到不同的运动曲线。从而为四关节仿生机器鱼的动力学建模提供理论基础。     

仿生机器鱼研究进展及发展趋势

随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。     

基于改进量子进化算法的仿生机器鱼渐变可靠性优化设计

为提高仿生机器鱼的工作可靠性,提出一种应用于仿生机器鱼的渐变可靠性稳健优化设计方法。以仿生虎鲸为研究对象,基于扑翼运动理论,利用Matlab得到了仿生虎鲸的动态载荷。基于可靠性灵敏度设计理论和稳健设计理论,构建了优化设计状态函数,得到了仿生虎鲸尾鳍推进系统对其渐变可靠性灵敏度的影响。利用改进量子进化算法进行优化设计,得到了尾鳍推进机构的最优解,结果表明,设计变量的灵敏度的绝对值均有降低,可靠度得到提高,结构更加稳健。将扑翼运动理论、可靠性灵敏度设计理论、可靠性稳健设计理论、性能退化理论和改进量子进化算法相结合,提出一种应用于仿生机器鱼的渐变可靠性稳健优化设计方法,为仿生机器鱼的可靠性分析与设计提供理论方法和数据支撑。     

仿生虎鲸负载特性数值模拟及可靠性灵敏度分析

仿生虎鲸作为仿生机器鱼的一种,在海洋开发和科学考察研究中具有重要的作用.基于扑翼运动原理,对仿生虎鲸的运动机理进行分析,利用Matlab对其瞬时负载进行了数值模拟.基于应力-强度干涉理论,建立了仿生虎鲸直行和转弯运动负载可靠性分析的状态函数,计算得到了仿生虎鲸直行和转弯运动负载的可靠性指标和可靠度,结合可靠性灵敏度分析...     

仿生机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法

从揭示鱼类外形仿生和运动仿生中蕴含的仿生机理出发,提出一种机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法,该方法将流体变量和结构变量同步进行推进,并在每个迭代步内进行子迭代,因而提高了算法的稳定性。将鱼体游动介质分为流体介质、结构介质和相互作用的交界面介质,分别建立三种介质的动力学方程。采用隐式耦合方法,给定鱼体变形为输入,将鱼体运动转移到流体单元上,形成对周围流体的激励,通过求解流体动力学方程得到流体作用力,并将该作用力传递于鱼体,作为外力来驱动鱼体自主游动,从而实现流体和结构的交互过程,最后通过机器鱼的自主游动算例验证了方法的有效性。该方法可以评价不同外形和不同运动规律的机器鱼自主游动性能的优劣,进而为揭示仿生游动机理提供科学依据。     

柔性仿生机器鱼驱动频率设计原则

通过理论分析得到柔性仿生机器鱼鱼尾固有频率的表达式,并从中获得一种改变固有频率的方法,设计制作3个固有频率不同的柔性鱼尾并进行试验。所描述的获取鱼尾材料参数的方法更加可靠,驱动频率范围更高。试验得出:驱动频率接近固有频率,可改善柔性仿生机器鱼的运动特性,并且,相对于1阶固有频率,驱动频率等于2阶固有频率时的运动特性更好。提出了根据驱动频率范围,设计具有更优运动特性的柔性仿生机器鱼,确定驱动频率的准则。     

仿生虎鲸瞬时负载数值模拟

仿生虎鲸作为仿生机器鱼的一类,在海洋开发和科学考察研究中具有重要的作用.基于扑翼运动原理,以鱼类推进方式设计的仿生虎鲸,其受载具有非线性、时变性和强耦合性,通过对仿生虎鲸在水中直行和转弯运动工况的分析,建立仿生虎鲸的受力模型;基于Matlab进行了仿生虎鲸的瞬时负载数值模拟,生成了仿生虎鲸瞬时负载数值模拟的文本文件,并...     

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.     

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。     

基于仿生机器鱼的油浸式变压器内部故障检测平台设计北大核心CSCD

为解决大型油浸式变压器内部故障检测困难的问题,设计一种基于仿生机器鱼的油浸式变压器故障检测平台。首先,基于仿生设计原理,采用双尾鳍与两自由度胸鳍组合驱动方法,开展仿生机器鱼结构设计;通过集成摄像头、控制器、传感器系统等,赋予仿生机器人复杂环境下检测能力。然后,开展中继通信系统端、接收端功能设计,实现信息中继传输以及仿生机器鱼实时操控等功能。最后,通过开展110 kV变压器内部故障检测实验,证明基于仿生机器鱼的故障检测平台能够实现油浸式变压器的故障检测。     

基于仿生机器鱼的油浸式变压器内部故障检测平台设计

为解决大型油浸式变压器内部故障检测困难的问题,设计一种基于仿生机器鱼的油浸式变压器故障检测平台。首先,基于仿生设计原理,采用双尾鳍与两自由度胸鳍组合驱动方法,开展仿生机器鱼结构设计;通过集成摄像头、控制器、传感器系统等,赋予仿生机器人复杂环境下检测能力。然后,开展中继通信系统端、接收端功能设计,实现信息中继传输以及仿生机器鱼实时操控等功能。最后,通过开展110 kV变压器内部故障检测实验,证明基于仿生机器鱼的故障检测平台能够实现油浸式变压器的故障检测。     

司步带传动周转轮系机器鱼的设计与验证

介绍了一种用于拖曳试验的多关节机器鱼试验平台,用以研究鱼类尾鳍游动机制,提供功耗可测,且能够精确拟合亚绣科鱼类运动曲线的多关节机器鱼。根据生物学鳕鱼外形观测数据,同时采用伺服电机驱动同步带串联周转轮系传动的方式,使仿生机器鳕鱼在形态学和运动学上最大程度复现自然界鱼类游动方式。介绍了平台的机械结构及运动控制的实现,同时利用虚拟样机技术对机器鱼设计方案进行运动学验证以及动力学分析。结果表明机构设计合理,能够满足设计需求。     

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。     

一种仿生机器鳄的研制与性能测试

以仿生机器鱼的推进模式的研究为基础,文中设计研究了一种尾鳍式仿生机器鳄鱼。为减小身体外形对运动带来的阻力影响,用ANSYS软件对其身体线型进行流体仿真优化,得到一组合适的流线。其次基于曲柄滑块结构实现尾部在一定攻角下的左右摆动,通过不断测试得到曲柄杆尺寸与推进效率间的最佳关系。并针对单尾仿生推进引起的摇首所带来的平面转向问题提出解决方案。最终实现水陆之间跨地域前进、水面"S"形巡游、游域环境侦查等功能,验证机器鳄设计的合理性。     

气动式仿生机器鱼的设计与研究

仿生机器鱼已广泛应用于海洋领域,在探测水中污染物,绘制河水3D污染图等方面有着重要作用。但传统的仿生机器鱼一般采用电动马达驱动为主,也有记忆合金驱动式的。文中设计了一种气体驱动式的仿生鱼,我们从生物鱼游动的特性以及其鱼体各部位的作用汲取灵感,同时又针对传统设计带来的噪声、易被发现等问题,设计了靠气体驱动为主的仿生机器鱼。通过碳酸钙在热作用下产生的二氧化碳作为气体驱动,除了主排气管外还有辅排气管。该仿生机器鱼具有噪声小、易于隐蔽和伪装等功能,且利用太阳能和水体的压力进行自发电,从而减小对外界电能的依赖,提高续航的能力。