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。     

基于液压驱动的仿生推进器设计及运动学分析

MPF推进模式鱼类的高效、低扰动游动特性,逐渐受到水下机器人研究者的广泛关注。以"尼罗河魔鬼"鱼的柔性长背鳍为仿生对象,设计了一种液压驱动的模拟柔性长背鳍波动运动的仿生推进器。详细介绍了该仿生推进器的结构和工作原理,并建立了相应的运动学模型。在MAT-LAB中,根据运动学模型分析了鳍条高度、鳍面基线的不同组合下鳍面的运动效果。初步开展了该仿生推进器试验装置的试验。计算仿真和试验结果表明:液压驱动的仿生推进器运行流畅、结构和运动参数调整有效,完全可以模拟仿生对象的运动。     

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。     

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。     

不同水下仿生推进器性能影响的比较

各种模拟鱼类游动的水下仿生推进器,较传统的螺旋桨推进器有着低噪音、低扰动、高效率等突出优点。决定仿生推进器各个性能的重要因素之一,就是仿生推进器内部运动和动力的传动方式。比较分析了采用功能材料驱动、摆动舵机直接驱动、旋转伺服电机加运动变换机构驱动、液压传动等不同传动方式下仿生推进器的结构特点、运动自由度、推进性能,以及适应负载变化的特性,最后指出液压传动是一种综合性能较好的传动方式。液压传动的仿生推进器初步试验表明,该传动方式的结构简单紧凑、驱动能力强、可移植性好、具有优良的动力特性,有着广阔的应用前景和研究价值。     

新型仿生猎豹机器人的机构设计与功能仿真

设计了一款新型仿生猎豹机器人的机械运动结构,该结构设计采用汽油机提供原动力,通过液压系统驱动各个关节运动。并运用D-H齐次坐标变换矩阵建立其腿部关节的运动学方程。Pro/E软件建立猎豹机器人的三维模型。基于ADAMS虚拟样机技术对该仿生猎豹机器人进行了腿部关节的优化仿真设计,以及平面路面行走,奔跑跳跃障碍能力的仿真分析。仿真结果表明该仿生猎豹机器人机构设计合理,运动稳定可靠,具有直线、转弯行走能力和奔跑跳跃障碍能力好的特点。     

气动人工肌肉驱动的柔性仿生肩关节结构设计与优化

根据人体肩关节的特点设计了一种气动人工肌肉驱动的柔性仿生肩关节,推导了该仿生关节的逆运动学模型;以仿生关节最小输出转矩、气动人工肌肉输出力模型以及最大收缩率作为约束条件,以仿生关节运动范围最大为目标函数,利用遗传算法对该仿生关节的多个结构参数进行优化设计。优化结果表明,优化后的关节运动范围明显增大,有效提高了该仿生关节的灵活性。     

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...     

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.     

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     

基于半转机构的仿生船舶推进器的仿真研究

为提高基于半转机构的Weis-Fogh效应仿生船舶推进器设计的效率和可靠性,并对推进器进行动力学和运动学分析,在用仿真软件ADAMS建立仿生船舶推进器的机械动力学模型的基础上,利用Matlab中的Simulink工具箱建立控制系统,通过ADAMS和Matlab的接口ADAMS/Controls模块,实现了应用ADAMS和Matlab对基于半转机构的Weis-Fogh效应仿生船舶推进器的联合仿真.仿真结果表明,Weis-Fogh效应仿生船舶推进器能够给船舶提供有效稳定的推进力,同时也证明了推进器推进力随叶轮转速的增加而增大,随叶片和固壁之间初始间隙(在(4cm,+∞)区间内)的增大而减小.     

半转叶轮仿生推进器船舶航行实验方案设计

半转叶轮仿生推进器船舶的特色之处在于其推进器是基于半转机构实现Weis-Fogh效应仿生原理的新型船舶推进器,它的工作原理不同于普通的螺旋桨,为探求该新型推进器船舶的航速、回转特性、紧急停车倒车特性、推进效率以及尾迹特性等因素,需设计合理的测试方案对实船进行航行试验研究.     

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。     

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。     

基于单片机的六足机器人多路舵机控制系统设计

分析了仿生多足机器人应用特点及其多关节协调控制的功能需求,设计了基于单片机的六足机器人多路舵机控制系统,硬件控制核心采用STC89C52单片机,关节驱动使用高扭矩舵机,并采用32路舵机控制器用于腿部关节的协调控制。通过试验设计,实现了六足机器人一个步态周期内的直线行走、定点转弯的模拟运动。试验结果表明,该系统控制效果良好,动作平稳,且协调性较高,具有一定的参考价值。     

半转叶轮仿生推进器的实验研究

半转叶轮仿生推进器是基于半转机构实现Weis-Fogh效应仿生原理的新型船舶推进器,其推进原理不同于普通的螺旋桨,为探求其工作特性及推进力和推进效率等参数,设计了合理的试验方案进行模型试验研究.试验数据由数据采集卡NI DAQPad-6020E采集,并用Matlab软件进行处理和分析.结果表明,当叶片与固壁之间的间隙为11cm、吃水深度为30cm、电动机的输入频率为50Hz时,推进效率最高,推力最大,具有明显的优点.     

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。     

小型可潜浮仿生机器鱼的设计

通过对仿生机器鱼的潜浮机理进行分析,提出了一种结构紧凑、成本较低的小型可潜浮仿生机器鱼的设计方案,并对其外形结构和推进机构进行结构设计,提供了直游、转弯和潜浮运动的实现方法,实现了小型仿生机器鱼的三维运动。     

半转叶轮仿生推进器的控制系统设计及实现

半转叶轮仿生推进器是基于半转机构实现Weis—Fogh效应仿生原理的新型船舶推进器,其推进原理不同于普通的螺旋桨。为研究叶轮在多种情况下的运动效果,需要对叶轮转动状态进行控制。文中在实验控制研究框架的基础上设计了基于变频调速的软硬件控制系统,控制固臂两侧的叶轮异步工作。实际运行表明,系统运行稳定、安全可靠,电机同步精度高、响应速度快。应用该控制系统顺利地完成了新型推进器各项参数的测量实验。     

多足仿生步行机器人的机构设计与功能分析

设计了一种新型的多足仿生步行机器人的机械结构,运用D-H齐次坐标变换矩阵建立其运动学方程,并以最大越障能力为目标函数以连杆长度为约束函数对腿部机构进行优化,得出最佳多足仿生步行机器人的机械结构。基于虚拟样机技术对该多足仿生步行机器人进行爬坡能力、通过复杂路面能力、转弯步态规划等功能分析。仿真结果表明该多足仿生步行机器人机构具有自由度少、控制简单、运动灵活、爬坡能力良好、地形适应性强、转弯稳定性好等特点。