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CPG控制的双髻鲨仿生机器人设计与实验研究

随着人类对自然的探索越来越深入,新型水下航行器的需求与日俱增,仿生机器人因其特殊的推进方式和高效的推进效率而受到越来越多的关注,而传统的仿生鱼类仅模拟了流线型外壳,少有提及仿生对象本身结构对于仿生性能的影响,本文提出了一种基于中央模式发生器(CPG)的类双髻鲨仿生机器人.以鱼类基本运动形态为基础,将鱼身抽象为关节连杆结构,建立了三关节四连杆的仿生机器鱼模型并进行了仿真计算.根据步态规律预估了其运动性能,随后通过实验验证了可行性.本仿生鱼旨在以简单的机械结构和较低的控制成本,实现对双髻鲨的最大限度模拟,得益于良好的仿生结构,中央模式发生器的引入,以及柔性硅胶材料在鱼身的应用,此机器人拥有体型小,控制简单,地形适应能力强,能量利用率高等特点,与传统水下推进器相比噪音更小,环境适应能力更强,在科研、农业等行业均具有广泛的应用前景,如野外勘测,水下救援,水域巡逻等.     

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。     

水下仿生机器鱼的研究进展I——鱼类推进机理

仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一 ,它为研制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路 .本文以鱼的脊椎曲线为研究对象 ,提出了一种新的鱼类推进机理——波动推进 ,分析了波动推进过程中的运动阻力 .通过鱼类游动观测实验和仿生机器鳗鱼的研制 ,验证了该理论的有效性     

仿生机器鱼研究的进展与分析

介绍了仿生机器鱼具有效率高、机动性好、噪音低、对环境扰动小的特点和几种分类方法, 以及国内外在鱼类推进机理和仿生机器鱼研制方面的成果和现状, 在此基础上分析了机器鱼研究的主要内容: 鱼类推进理论模型、仿生机器鱼机械结构、仿生机器鱼游动的推进速度、运动方程、Q效率、Q功率等方面的客观规律, 特别是其控制性能和相关技术问题.     

水下网箱破损检测用仿生机器鱼系统设计与研究

针对当前水下网箱破损检测机器人的水体扰动大、推进效率低问题,研制了一种仿生机器鱼系统,实现了低扰动、高效率的水下检测。首先,机器鱼采用身体/尾鳍式推进机理,建立多关节鱼体动力学和运动学模型。其次,设计开发了S形起动与游动策略、三层次螺旋层进式网箱破损检测策略。最后,对仿生机器鱼进行起动游动实验和避障实验。结果表明:该系统设计合理;机器鱼结构可靠、性能良好,最大游速为0.6 m/s,续航时间为3～4 h,成功应用于水下网箱破损检测和精准定位。     

水下仿生机器鱼的研究进展I——鱼类推进机理

仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一，它为研制高效、高机动性 和低噪声的水下运载器提供了新的思路．本文以鱼的脊椎曲线为研究对象，提出了一种新的 鱼类推进机理——波动推进，分析了波动推进过程中的运动阻力．通过鱼类游动观测实验和 仿生机器鳗鱼的研制，验证了该理论的有效性．     

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.     

一种2自由度胸鳍推进机构设计与动力学分析

以箱鲀为仿生对象,设计了一种两侧胸鳍对称布置,单侧2自由度胸鳍能够实现摇翼运动、前后拍翼运动以及两者复合运动的仿生机器鱼,建立了其利用"划水模式"推进的水动力学模型,通过数值方法给出了胸鳍摆动周期、幅值以及初始角的变化与直线游动速度之间的关系,实验结果验证了其有效性.在此基础上,确定了所设计仿生机器鱼采用"划水模式"推进时的直线游动模态.研究结果表明,胸鳍"划水模式"推进的仿生机器鱼具有较高的效率和运动速度.     

水下仿生机器鱼的研究进展III——水动力学实验研究

作为仿生推进技术研究的一个主要环节 ,仿生机器鱼平台的实验测试研究具有重要的意义 .本文建立了一套比较系统完整的机器鱼水动力学定性观察 ,定量测量的实验环境 ,并进行了速度功率参数影响测定实验、鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验 .     

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。     

Backward swimming gaits for a carangiform robotic fish

This paper focuses on the gaits planning method of the backward swimming for unsymmetrical structure bio-inspired robotic fish. Based on the differences between the anguilliform mode and carangiform mode swimming, a method for searching gaits of backward swimming was proposed to plan the motion of the developed carangiform robotic fish. The body envelope of European eel’s backward swimming was mimicked according to the freely swimming model, which was proposed to analyze the propulsion produced by the undulation of the multi-link tail. Finally, simulations and experiments were conducted to demonstrate the gaits searching method for the bio-inspired carangiform robotic fish.     

Optimal design and motion control of biomimetic robotic fish

This paper is concerned with the design, optimization, and motion control of a radiocontrolled, multi-link, free-swimming biomimetic robotic fish based on an optimized kinematic and dynamic model of fish swimming. The performance of the robotic fish is determined by both the fish＇s morphological characteristics and kinematic parameters. By applying ichthyologic theories of propulsion, a design framework that takes into consideration both mechatronic constraints in physical realization and feasibility of control methods is presented, under which a multiple linked robotic fish that integrates both the carangiform and anguilliform swimming modes can be easily developed. Taking account of both theoretic hydrodynamic issues and practical problems in engineering realization, the optimal link-lengthratios are numerically calculated by an improved constrained cyclic variable method, which are successfully applied to a series of real robotic fishes. The rhythmic movements of swimming are driven by a central pattern generator （CPG） based on nonlinear oscillations, and up-and-down motion by regulating the rotating angle of pectoral fins. The experimental results verify that the presented scheme and method are effective in design and implementation.     

Electrostatically Actuated Robotic Fish: Design and Control for High-Mobility Open-Loop Swimming

This paper presents a project that aims at fabricating a biologically inspired robotic fish. The robotic fish is designed to be capable of propelling itself through oscillations of a flexible caudal fin, like a real underwater fish. In this paper, we describe the design features that underlie the operation of the robotic fish. These features include a unique actuator referred to as electrostatic film motor and a light and flexible power transmission system. The electrostatic film motor is made of two pieces of flexible printed circuit film and can be utilized as a new-type artificial muscle. The power transmission system permits reciprocating power to be converted to periodic oscillations and distributed to the caudal fin. Based on several design considerations inspired by biological concepts, we propose several open-loop swimming control strategies for the constructed robotic fish to accomplish fish-like motion (i.e., cruising, turning, and diving). Experiments of Seidengyo I, the first prototype of our electrostatic fish family, are carried out to confirm the validity of the original design and control. We further design Seidengyo II to improve on Seidengyo I and show the results of the experiments.     

机器鱼运动学SSPR 建模与自适应迭代学习控制

针对一类多关节机器鱼推进速度的调节, 提出一种运动学建模与控制匹配设计的新方法. 以可控性为目标, 建立了基于能量转化系数的鱼尾摆动规律与推进速度性能参考(SSPR) 模型, 系统已知参数把能量转化率收敛到一个可控可调节范围. 自适应迭代学习控制策略与之匹配, 能适时辨识并周期性地更新该模型的能量转化系数, 实现机器鱼在陌生水环境中的推进速度自调节. 仿真分析验证了该模型和控制方法的正确性.

     

Modelling, Computing and Sport

This article presents a computational model for propulsion generation in front crawl swimming. The obtained results show close agreement with directly measured forces acting on a computer controlled robotic arm that kinematically simulated a planar arm stroke. The model was applied to real-life swimming strokes and demonstrated that the three-dimensionality improves efficiency of the stroke and that contrary to popular belief the arm does not need to be fully extended while swimming.     

仿生机器鱼俯仰与深度控制方法

提出一种基于重心改变法的仿生机器鱼俯仰姿态与深度控制方法, 用于实现机器鱼水中的浮潜运动. 该方法利用一种可调整位置的配重块结构, 改变机器鱼的重心位置, 进而实现机器鱼俯仰姿态的调节. 在对机器鱼内部配重块位置和机器鱼俯仰角的关系进行分析的基础上, 对一定速度下机器鱼的深度与俯仰角的关系进行建模, 提出由于尾部形变引起的俯仰姿态变化的补偿方法. 文中给出机器鱼原形样机的相关实验, 分析验证配重块位置变化和机器鱼重心及其姿态的调整, 深度控制等在多种情况下的结果.