BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析

目前,仿生学者已经注意到身体/尾鳍摆动(Body and/or caudal fin,BCF)鱼类快速、高效的游动性能并制作多种基于生物原型的仿生机器鱼,但是,所研制的机器鱼样机性能与鱼类性能存在着较大的差距,这又进一步地促进了柔性鱼类快速高效游动机理的研究。从柔性鱼体游动过程中的机械特性和流场特性两方面出发,介绍国内外在BCF柔性鱼类游动机理方面的主要研究进展,重点讨论鱼类游动机理的变阻抗驱动和涡流控制两项关键技术。通过对鱼类游动机理研究成果的分析和总结,探讨柔性机器鱼研究的发展趋势。总的来说,随着BCF柔性鱼类游动机理研究的不断深入,仿生学科的交叉理论研究将得到进一步发展,仿生机器鱼与生物原型之间游动性能的差距也必将逐渐缩小,实际应用前景较为广阔。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人。在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案。研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验。结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动。     

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。     

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。     

压电纤维致动的仿鲤鱼尾鳍式小型推进器的摆动特性及流固耦合机理

宏压电纤维复合材料（Macro fiber composite,MFC）克服了传统压电材料在韧性和脆性方面的不足,具有驱动变形大、柔韧性好且防水性好的优点,在仿生变形驱动领域具有广泛的应用前景。模仿锦鲤鱼类的形态特征和身体/尾鳍（Body or caudal fin,BCF）游动推进模式,提出了一种MFC致动的仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器。在峰值1 000 V、频率7.5 Hz的简谐激励电压下,试验测得推进器末端水下最大摆速154.5 mm/s。采用计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）分析了推进器摆动过程中周围流场分布及变化情况。仿真结果表明,推进器在稳定推进阶段产生的瞬时最大推进力和平均推进力分别为9.8 mN和4.22 mN,与Lighthill细长体理论一致;同时从推进器周围的周期平均流场结构中观察到了一片流速约为推进器结构最大摆速2倍的高速流场区域,且始终存在着一对对称分布、旋向相反的涡环结构沿着推进器顺流而下,因此产生一股高速水流从推进器尾部喷射而出,而推进器在高速水流的反作用力下向前推进,从而揭示了仿鲤鱼尾鳍式小型水下推进器的流固耦合特性和推进机理。     

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     

仿蝠鲼机器鱼软体胸鳍建模与仿真

介绍一种仿蝠鲼机器鱼上使用的软体胸鳍推进器,具有三维立体翼型并集成多个软体致动单元,具备更高形态及运动仿生度。分析提取了生物原型翼缘曲线并建立扑翼运动学模型,解耦描述胸鳍俯仰-摆转复合运动模式;对比了不同致动器数量的软体胸鳍运动特性与控制策略,并通过样机静态加载试验验证了有限元模型可靠性;基于格子-玻尔兹曼方法实现复杂曲面动态边界的流固耦合,在仿真环境中分析了单/多自由度软体胸鳍在不同工况下的扑翼推升力特性;数据对比表明多自由度胸鳍平均推力为单自由度的7.2倍,性能优势显著,为进一步水动力试验研究与机器鱼平台整合提供了数据预测与方向指导。     

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。     

Actuation of a robotic fish caudal fin for low reaction torque

In this paper, a novel caudal fin for actuating a robotic fish is presented. The proposed caudal fin waves in a vertical direction with a specific spatial shape, which is determined by a so-called shape factor. For a specific shape factor, a traveling wave with a vertical phase difference is formed on a caudal fin during fin motion. It will be shown by the analysis that the maximum reaction torque at the joint of a caudal fin varies depending on the shape factors. Compared with a conventional plate type caudal fin, the proposed fin with a shape factor of 2π can eliminate the reaction torque perfectly, while keeping the propulsion force unchanged. The benefits of the proposed fin will be demonstrated by experiments.     

基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学建模

提出了基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学模型。通过对鱼体波状游动的运动学描述,将仿鱼机器人离散成刚性头部、柔性身体和摆动尾鳍三个部分并划分为多个运动环节进行分析,考虑鱼体外部环境的作用力:流体附加质量、流体加速作用的弗劳德—克里洛夫力、鱼体游动过程中的阻力特征,建立仿鱼机器人的动力学模型。数值实例表明,利用该动力学模型,能够有效地实现给定鱼体各环节的运动参数求解作用力矩、给定作用力矩求解运动规律,进一步设计仿鱼机器人各环节的运动规律,寻找一种实现鱼体推进力最大和推进效率最高的规划方法。该动力学模型的建立为研究仿鱼机器人的运动控制算法和规划算法,揭示鱼体利用流场能量的动力学机理提供了重要理论支撑。     

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.