水下长鳍波动式MPF推进模式机器人研究现状与发展趋势

自20世纪末起,水下仿生机器人就因其独特的推进模式、高效的推进效率而受到学者们广泛的研究。通过模拟千奇百怪鱼类的运动姿态,各种各样推进模式的水下仿生机器人也被开发了出来。研究人员始于身体尾鳍（body and/or caudal fin,下称BCF）推进模式的研究,再衍生到中间鳍对鳍（median and/or paired fin,下称MPF）推进模式的研究,近年来又将MPF细分为了多鳍拍动式、胸鳍扑翼滑翔式和长鳍波动式三种。文中探讨了水下长鳍波动式MPF推进模式机器人的发展起源,并且从原理、结构、材料、流体力学方面分析了近年来水下长鳍波动式MPF推进模式机器人研究现状与发展趋势。     

仿生水下机器人研究现状及其发展趋势

仿生水下机器人以其高度灵活性及逐渐智能化的特点,成为近年来机器人领域研究的热点。仿生水下机器人按照模仿水下生物的运动方式可分为:仿鱼水下机器人、仿多足爬行动物水下机器人和仿蠕虫水下机器人。文中具体地阐述了这三类中具有代表性的仿生水下机器人的特点。随着科学技术的发展,仿生水下机器人在智能材料制成的驱动装置、游动机理方面会不断地完善,在个体的智能化和群体的协作方面也会有很大的发展。     

形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究

研究了一种形状记忆合金（SMA）丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上,建立了鳍波动运动学模型,研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器,并进行了试验研究。结果表明,仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动,波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大,鳍波动推进力呈周期性变化,瞬时推力在驱动脉冲宽度80 ms时达到最大值180mN。     

面向水下无声推进的形状记忆合金丝驱动柔性鳍单元

水下无声推进是潜器追求的理想目标,但几乎所有成熟的潜器都应用螺旋桨推进,噪声较大,推进效率随航度变化波动大,限制了潜器的应用.基于大多数鱼类和鳍波动推进时的乌贼的游动基本动作为柔性弯曲这一事实,从软体动物乌贼的鳍结构获得启发,借鉴其肌肉性静水骨骼原理,提出并研制嵌入形状记忆合金丝驱动的仿生柔性鳍单元,对柔性鳍单元进行转角理论分析及水中弯曲、回复试验,研制并试验基于柔性鳍单元的微型机器鱼.柔性鳍单元通过电流驱动,以模块化形式安装,实现身体/尾鳍推进、胸鳍波动推进等功能.柔性鳍单元为动作无噪声,转角大,无相对移动的机械部件,具有足够的输出力,结构简单,隐蔽性好,可实现水下无声仿生推进,在微小型水下机器人上应用具有优势.     

高机动自主水下航行器的仿生设计研究

基于黄鳍金枪鱼的生理结构特征,以及鱼类的体干尾鳍推进模式（BCF）和中鳍对鳍推进模式（MPF）,运用仿生工程学原理,开发出高机动自主水下航行器。通过柔性鱼体机构、推进器、沉浮水舱、控制系统和航行稳定性的仿生设计,航行器在水下实验中可自主完成高速巡航和多种机动方式水下作业。建立的水下试验平台可有效应用于仿生推进模式特征参数和推进性能内在关系的研究同时为改善自主水下航行器的机动性能提供了新的设计思路。     

弓鳍目鱼柔性波动长鳍运动学特征分析

利用数字摄像机和图像测量技术定量地研究了弓鳍目鱼“尼罗河魔鬼”的自然巡航游动过程；对实验所获图像进行分析，得到了样本躯体宽度、躯体纵深和长背鳍纵深沿体长分布的曲线，以及样本在每秒0．728～0．985鳍长的特征游速下巡航游动时的背鳍运动参数与背鳍波动波形的包络线；定性描述了“尼罗河魔鬼”正向、逆向行进时背鳍产生波形的差异，分析了样本的形态学特征、柔性长背鳍波动推进的运动特性及运动参数间的相关性，为进一步进行动力学分析和建立工程上实用的仿生柔性长鳍简化模型及其简化准则提供了依据。     

小型水下巡航机器人表面减阻仿生设计

为提高小型水下巡航机器人作业过程中的行进效率,基于仿生设计方法进行表面减阻设计。利用边缘提取算法和GetData软件对灰鲭鲨鱼鳞片形态与结构进行特征分析和数据提取;运用Shapr 3D和Rhino软件构建了鳞片三维模型和仿生非光滑结构表面,通过Fluent软件进行流体仿真分析,对比不同流速下的剪切应力。结果表明：当来流速度大于6 m/s时,非光滑表面剪切应力小于光滑表面剪切应力,流速为8 m/s时减阻率最高可达2.9%。仿生灰鲭鲨鱼鳞片非光滑表面模型在一定范围的来流速度下具有较好的减阻效果,但减阻率会随来流速度的增加先增后减,在特定流速下,减阻效果最佳。     

仿生水下机器人传动机构的设计与仿真

参照鱼类的外形特点对仿生水下机器人进行了设计和建模,同时根据鱼类推进鳍的特点研发出一种全新、节能、高效的推进装置;运用具有急回运动特性的曲柄摇杆机构将舵机的连续转动转换为推进鳍的前后摆动;结合现代虚拟样机设计技术进行本仿生水下机器人的设计研发:利用Matlab技术对曲柄摇杆机构进行优化分析和设计,运用Adams对曲柄摇杆机构进行运动分析,同时验证了基于Matlab优化设计的结果;目前,已经将仿生水下机器人加工组装完毕,同时完成了下水试验,证实了前期设计的合理性。     

水下捕捞机器人耐压舱仿生造型设计

为降低捕捞作业的运行成本,对水下捕捞机器人的耐压舱进行仿生减阻设计。以粒突箱鲀为仿生对象,基于灰度转换和边缘检测技术提取其外形特征廓线,以捕捞机器人特征高度为设计变量建立仿生耐压舱三维模型,并将回转体耐压舱模型作为对比对象,通过Fluent软件对两种耐压舱进行流体仿真分析,分别比较其阻力系数、阻力和升力系数。结果表明：与传统回转体耐压舱相比,仿生耐压舱具有更小的阻力系数,可有效减小其在水中行进的阻力;仿生耐压舱的流线型结构有效降低了流场扰动,提高了捕捞机器人在水下运行时的平稳性。研究结果可为水下捕捞机器人耐压舱的造型仿生及减阻设计提供理论依据。     

仿生鱼尾鳍推进并联机构设计

仿生尾鳍推进水下机器人的核心问题之一是推进机构的设计及其运动控制,而如何减小推进机构的体积,实现对鱼类尾鳍典型运动的精确模拟是其中的关键因素.提出一种新结构形式的两关节并联仿生尾鳍推进机构.基于该推进机构的简化模型,分析组成机构各杆件的运动规律,以及拍动中位角和各连杆长度之间的关系,对推进机构所占空间进行对比分析.提出转弯性能和机构奇异点对推进机构各杆件的约束条件.结果表明该并联结构方式可以实现转向,也减小推进机构占用空间.针对典型参数,对尾鳍机构进行运动仿真,结果肯定设计的合理性,为水下仿生机器人的尾鳍推进机构提供一种设计方案.     

非叠加型可变形两栖机器人水下推进方法

受自然界中变形虫和生物蛇启发,将可变形和链式构型特性引入两栖机器人。通过运动特性、水环境适应性和可变形能力扩展等综合分析,设计了没有添加额外水下推进机构的非叠加型两栖机器人链式可变形构型。该机器人在陆地环境具有较高机动性外,还具有履带划水和仿生划水组合的复合推进方式。提出基于理想推进器的履带划水推进模型;针对仿生划水时运动学与流体力的耦合关系,提出基于拉格朗日方程的运动学-动力学联合运动模型,并建立了转向模型,完成仿生推进方式的水中机动性能分析。通过仿真分析了履刺高度和分布等机构参数以及幅值、频率等运动参数对水下推进性能的影响。利用基于链式可变形构型研制的机器人样机Amoeba-II进行了水环境试验,验证该构型在水下推进中的有效性,并对履带划水和仿生划水的推进效率、稳定性进行对比。     

基于FPGA的仿生机器手的设计与实现

介绍一种基于FPGA的仿生机器人机器手机构及控制系统。该系统以上位机为控制核心,结合电容式角位移传感器技术,在上位机与FPGA之间实现通信,从而实现了控制机器手机构的抓、握、夹放等动作。实验证明该控制系统满足了机器手的控制需要。     

足式机器人脚的仿生结构设计

基于蝗虫脚掌在与接触面间接触时能够实现稳定附着这一优异性能,并参照轮胎中轮辋与胎圈的结合技术,设计了一种新型的具有花瓣型结构的仿生机器人脚,为机器人脚的研制提供了一种新的思路。     

基于DSP的三肢体仿生机器人控制系统设计

基于分级控制和模块化设计思想，设计了一种适用于三肢体仿生机器人控制的，采用PC机、TMS320LF2407和MSC1210的控制系统。该控制系统原理清晰，工作可靠，能够满足机器人多种运动和操作要求。     

仿生螃蟹机器人的设计与实现

基于对螃蟹特性的分析,运用仿生学原理设计了一款具有创意结构的仿生螃蟹机器人系统。采用模块化设计方法,对该机器人系统进行了硬件设计及算法软件设计,实现了诸如搬运、避障、扫雷,以及娱乐等多种功能。在复杂路况等环境下进行搜救与探测等方面,该机器人具有较好的应用潜力。     

仿生机器鱼系统设计研究

介绍了鱼类推进理论及仿生机器鱼的系统设计研究,重点叙述了机器鱼系统设计中的机械结构设计、硬件电路设计和软件设计.     

一种水下环状爆破式切割装置的设计

简要说明了一种环状爆破式切割装置的设计与组成部分,说明了应用该方法设计出的聚能罩在主装药起爆瞬间能迅速积聚能量,在一定范围内沿圆周方向向外辐射出环状连续的射流环,达到可靠地切割锚链而不损伤平台,使之浮出水面。     

一种模块化水下机器人的设计

介绍了一种模块化设计的水下机器人。按各功能模块将水下机器人分为探测识别舱段、动力推进舱段、控制舱段和艉部去流舱段。并具体对每个舱段的设计作了分析。经试验表明,机器人能较好地完成水下作业任务。