超磁致伸缩薄膜尾鳍机器鱼的仿生游动机理

根据仿生学原理,采用超磁致伸缩薄膜驱动器模仿鱼类的波状推进方式,可以实现机器人的无缆驱动,并能显著提高机器人的可靠性与实用性。为了提高推进力,进而提高驱动效率,实现机器人尾鳍形状优化是关键。基于等面积条件,优选了几种薄膜尾鳍形状,在建立悬臂梁结构变断面超磁致伸缩薄膜受迫振动动态模型和机器人推力模型的基础上,对不同形状薄膜尾鳍的推力进行了仿真验证,得出了最佳尾鳍形状曲线,并用有限元法分析了薄膜驱动器的应力分布,最后通过试验验证了薄膜驱动器的推进效果。     

仿生鱼鳍运动仿真分析及试验研究

仿生水下推进技术的研究日益受到科研工作者的青睐,尤其是仿生机器鱼的研究日益引起关注.在对柔性长鳍波动推进模型研究的基础上,提出一种尾鳍摆动与长鳍波动组合推进的模型,目的是为了提高已有柔性长鳍波动模型的推进性能.对柔性长鳍波动推进模型和组合推进模型进行介绍,着重利用计算流体动力学方法分别对刚性尾鳍摆动模型和柔性长鳍波动模型进行二维数值计算,并对仿真结果进行对比和分析,对模型进行简易流场显示试验,为进一步研究组合鳍的推进特性奠定了基础,同时便于和今后模型的试验数据进行对比分析.     

基于理想推进器理论的尾鳍推力与效率估算

鱼类尾鳍的动力学问题已经得到广泛研究,但是在进行尾鳍推进器的设计时,还缺乏一种简单有效的设计和估算方法,将尾鳍的运动参数与推力、效率联系起来;在观测和分析尾鳍流场的基础上,研究了2自由度尾鳍推进器的流场结构和推力形成原因;将理想推进器理论应用于尾鳍推进器的推力和效率计算,提出了射流及其诱导速度的量化假设,建立了推力、效率与运动参数、斯特劳哈尔数之间的函数关系;运用该函数对海洋动物的典型运动状态进行了估算,估算结果与动物观测现象基本吻合,该方法在机器鱼模型设计中得到了应用和验证。     

外场驱动无缆微机器人的仿生游动特性

研制了以NdFeB为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是通过改变时变振荡磁场的驱动频率,媒介于嵌入机器人头部NdFeB的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人头部摆动的机械能,再带动铜薄膜尾鳍产生波动并与液体耦合产生推力。由于NdFeB为非接触式驱动,因此机器人的驱动不需要电缆。基于固定端摆动悬臂梁模型,建立了机器人尾鳍受迫振动波动方程和基于仿生游动原理的推力计算模型,以尾鳍波动的前三阶谐振模态为输入对其产生的推力进行了计算,得出了尾鳍各阶谐振模态与推力的关系,试验验证了理论分析的正确性,表明无缆驱动控制仿生游动微型机器人的方案切实可行。     

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。     

刚柔结构仿尾鳍压电双晶片无阀泵的实验研究

利用结构的摆动振动驱动流体单向流动,和传统的利用结构的不对称性形成泵功能的无阀流体驱动原理相比,具有更易于微小型化、效率高、流动脉动小、无回流等优势,而仿尾鳍振子端部的柔性尾鳍结构是高效泵水的关键部件。首先,通过无流量的压差测量法测得了柔性尾长在2~18mm范围内压差峰值随频率的变化关系;其次,利用激光多普勒测振仪测得了摆动振子在水中的振动模态,与压差实验结果进行了对比分析,确定了压差峰值与振子振型的对应关系;最后,通过对振子的分解,讨论了柔性尾鳍与振子主体部分的耦合关系,解释了最佳工作振型在振子主体部分二阶弯振附近波动的现象。结果表明:摆动振子工作在近似无限水域中,前3阶弯振均可测得压差;柔性尾长为4mm和6mm时,压差达到最大值55mm;不同柔性尾长的摆动振子取得最大压差时的工作频率,在无柔性尾鳍振子的二阶弯振模态频率附近波动。     

仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的结构设计

受具有高速巡游速度的金枪鱼的启发,提出了一种微脉动、大流量、仿尾鳍变截面振子无阀压电泵。以压电叠堆为激励源,设计了仿尾鳍变截面振子,实验验证了振子的二阶弯振和金枪鱼高速巡游的摆动模式一致。利用有限元分析软件ANSYS分析了振子的模态振型,提出了模态分离更好的Y型振子。为避免压电叠堆受力不均匀而受到损坏,采用钢球和隔离块作为压电叠堆传递力和振动的媒介,实现了压电叠堆和泵腔内液体的干湿分离。设计了二级杠杆/柔铰机构,放大了振子端部柔性叶片摆动幅度。最后,研制了样机,并进行了不同驱动频率下的仿尾鳍式变截面摆动振子无阀压电叠堆泵的流量测量,结果表明,在80V正弦电压的激励下,激励频率为1 350Hz时泵的流量达到峰值(400ml/min)。本设计方案能够有效地提高泵的性能,满足工程实践中对大流量无阀压电泵的需求。     

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。     

基于ANSYS的某塔机动态特性分析

利用有限元法,以某平头塔机为研究对象,分析了其动态特性。通过分析得出如下结论:塔机的前六阶固有频率值分别为:0.131、0.190、0.351、0.485、1.287、1.334 Hz;各阶振型表现为:塔机的第一阶振型为起重臂的上下摆动,第二阶振型为起重臂的前后摆动,第三阶振型均为整机结构的左右摆动,第四阶振型为整机结构的前后摆动,第五阶振型为起重臂的一阶弯曲振型,第六阶振型为起重臂的二阶弯曲振型。分析结果为该起重机动态性能的优化奠定了基础,为其他同类结构的设计提供了参考。     

基于压电双晶片驱动的微型仿生机器鱼的设计

通过鱼类游动机理得到启发,将压电双晶片驱动器与柔性机构合为一体,设计了模拟鱼尾鳍摆动机构。应用尾鳍推进的流体力学理论以及刚体定轴转动理论建立其动力学模型。分析了柔性机构放大性能,设计计算了压电双晶片尺寸。     

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.     

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。     

加工中心床身尺寸元结构方法的优化研究

针对某加工中心床身结构特点及性能要求,采用有限元理论中Block Lanczos法对其进行模态分析,经分析得出一阶模态振型为立柱侧的床身沿Y方向上下摆动;二阶模态振型为沿Z方向前后摆动;三阶模态振型为在XOZ平面内床身整体发生扭曲变形;四阶模态振型为在XOZ平面内床身整体发生扭曲变形。之后对加工中心床身尺寸元结构的优化进行了研究,在床身基本尺寸不变的前提下,以加工中心床身尺寸元结构的固有频率为优化目标,提出了加工中心床身结构的改进方案,并最终通过分析确定了加工中心床身相应元结构的最优方案,即在加工中心床身结构质量减小的情况下,动态性能得到改善,此筋格的元结构尺寸优化是有效的。     

柔性尾长对尾鳍式压电泵的影响

为克服传统的容积型无阀压电泵存在的流动波动大、有回流、泵水能力差等通病,提出并设计模仿鱼尾摆动的无阀泵,并针对具有柔性尾鳍的变截面摆动子进行研究。在研究巡游速度最大的金枪鱼尾鳍摆动的基础上,设计具有柔性尾鳍的变截面摆动子;基于有限元分析软件ANSYS进行摆动子在水中的谐响应分析,提取不同长度的柔性尾鳍工作在二阶谐振下的端部振幅,分析表明,摆动子端部振幅对泵的理论流量影响较大;利用电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)激光位移传感器对摆动子的端部振幅进行测量,柔性尾鳍长度为5 mm时,摆动子的二阶弯振端部振幅达到0.4 mm,端部振幅随柔性尾鳍长度变化的趋势和ANSYS分析结果一致;对泵进行试验研究:在60 V的电压的激励下,柔性尾鳍长度为5 mm时,泵的压差达到78 mm。研究表明,在摆动子的其他结构参数一定的情况下,泵的性能对柔性尾长较为敏感,并存在最优的柔性尾鳍长度值。     

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。     

一种仿生型无阀压电泵

针对传统的容积型流阻差式无阀压电泵具有吸入周期和排出周期,存在着流动脉动大、流量小的问题,提出一种新型的鱼鳍摆动式无阀压电泵。模仿在鱼类中巡游速度最快的金枪鱼的鱼体结构,设计了压电双晶片结构的压电振子,并将其尾鳍设计成柔性叶片状。分析了压电双晶片结构悬臂梁的受力变形、模态振型在机电转换效率方面的关系。研制了泵的样机并测量了激励电压在100 V时泵的流量。实验结果表明:振子工作在1阶振型时,泵水效应不明显;振子工作在2阶振型时,谐振频率为740 Hz,泵的流量为266 mL/min;振子工作在3阶振型时,谐振频率为1 280 Hz,泵的流量为105 mL/min。     

尾鳍推进式水上自行车设计

介绍一种基于鲹科鱼类推进机理的水上自行车,主要结构由减速齿轮传动机构、曲柄滑块摇杆机构、方向指示针、支撑体和尾鳍组成。通过对相关机构运动学分析并运用ADAMS对其进行运动仿真,得出该设计机构能够满足设计要求。以上机构能使鱼尾摆动和暂停实现前进和转弯,机动性较好且省力效果显著。     

非负二元函数最大值求解的复变函数法

二元函数优化问题在许多工程问题中广泛存在,其全局寻优方法一直是人们研究的热点问题之一。基于复变函数中解析函数最大模理论针对一类非负二元函数的全局寻优问题提出了一种高效方法,它可以将目标函数在有界二维区域上的寻优问题简化为一维全局优化问题的求解,给出了方法可行性的理论依据,并用三个算例验证了方法的有效性。方法和结论一方面可直接用于解决解析函数应用场合中的优化问题;另一方面对于适用的二维数学优化问题可实现高精度、高效率的全局寻优。     

模态参数的最小二乘复频域局部求解方法

为了准确识别频率响应函数不一致情况下的模态模型,建立了一种模态参数估计的最小二乘复频域局部求解新方法。以轻质板为例,在传感器质量过大导致频响函数不一致时,利用最小二乘复频域法的整体求解和局部求解两种方法分别识别了其模态模型。对比两者的结果可见:相比于整体求解方法,采用局部求解方法获得的轻质板模态频率与标准试验误差很小,自由状态下的模态振型与理论振型亦相一致,表明最小二乘复频域局部求解方法在频响函数不一致的情况下能够准确识别模态模型。     

机械胸鳍式仿生水下机器人的动力学特性研究

对新近研制的仿生水下机器人Robo—Mackerel，建立其在胸鳍摆动模式下游动的物理模型，并给出机械胸鳍摆动的运动方程。利用库达-儒柯夫斯基定律和二维叶素理论，分析Robo—Mackerel巡游时受到的流体作用力。通过动力学仿真，计算Robo—Mackerel的游速、推进力、瞬时功率和平均效率等水下推进性能指标。为有效地提高Robo—Mackerel的水下推进性能，分析讨论了机械胸鳍摆动各运动学参数和上述指标的关系，并提出各运动学参数的最优值。