多关节自主游动机器鱼的设计与控制

为研究机器鱼设计过程中的关键问题(如密封、配重)以及机器鱼控制中的难点(如逼真的模拟鱼的游动),设计了四关节且可以自主游动的鲹科机器鱼研究平台,展示了机器鱼机械结构和控制系统的设计过程。水下实验证明此机器鱼平台可行而有效,能够真实地模拟真鱼的游动姿态和行为,可用于后续研究,如提高机器鱼的游动效率、优化机器鱼的控制算法等。     

机器鱼自主游动中变形体耦合动力学的数值研究

为机器鱼的自主巡游、机动转弯和"加速—滑行"游动的动力学特性研究做准备,结合样机试验数据来证明所选驱动方式的优越性,提出一种新的求解机器鱼自主游动动力学的数值算法。认为鱼体质心在绝对系下的运动是由流体外力与自身主动变形共同作用的结果;运用离散化方法推导出新的鱼体域的控制方程,从而提出新的算法。给定鱼体系下机器鱼的主动变形方程,通过耦合求解鱼体域、流体域的控制方程,得到机器鱼的运动过程中的运动学和动力学参数。通过自主游动算例验证了所提数值算法的正确性。     

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。     

鲹科模式机器鱼自主游动的水动力特性研究

采用数值模拟方法对鲹科模式机器鱼的自主游动机理进行研究。通过求解三维机器鱼自静止状态起动,逐渐加速并最终收敛到稳态游动的动力学过程,探讨自主游动过程中运动学和力能学参数的时间历程规律,并通过改变机器鱼的运动学参数来研究其自主游动的水动力性能,揭示力学机理和流场结构。结果表明,机器鱼自主游动过程中,速度和力呈现明显的非定常变化,在鱼体开始摆动并逐渐加速的过程中,作用在鱼体上的力和力矩均不平衡,因此存在一定的平动和转动加速度,当流场趋于稳定时,鱼体所受的力和力矩达到平衡,并获得一定的前向稳态游动速度。进一步在稳态游动的基础上,研究摆动频率和尾部摆幅对机器鱼水动力参数的影响,提取的三维流场结构清晰地反映出二者对机器鱼稳态游动的影响机制。研究结果对于获得更为合理的三维机器鱼的稳态游动机理,开发新型原理样机具有重要意义。     

仿鳐鱼水下机器人自主游动建模与仿真

随着探索海洋的呼声越来越高,仿鱼机器人的研究热潮也随之而来。在众多鱼类中,以鳐鱼为代表的胸鳍推进式鱼类具有良好的机动性,能适应复杂的海底环境。然而目前国内外对仿鳐鱼机器人的研究很少,特别是对其动力学模型和自主游动方面的研究更是不足,因而建立了仿鳐鱼机器人的物理模型,提出了一种动力学模型,并在此基础上仿真实现了仿鳐鱼机器人的自主游动,获得了与真实鳐鱼游动十分接近的速度和相同的运动规律,证明了模型和仿真的正确性。     

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。     

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。     

生物流体驱动系统及其仿生

大自然一直启发着人类在工业上的成就,仿生学越来越多地应用于流体驱动技术。对拥有流体驱动系统的生物相关研究进行了介绍,并总结了利用流体实现优美敏捷动作的机理。总结得出生物流体驱动系统的存在需要3个特征:动力源、腔体和工作介质。其中动力源类似于液压泵,腔体类似于液压缸,工作介质类似于液压油。对生物流体驱动系统的深入研究和探索,可以为解决流体驱动系统使用面临的挑战提供参考;并探讨了流体驱动系统仿生应用与未来发展的新思路,促进使用生物启发的方法,改善工程流体驱动系统。     

3 自由度仿生机器鱼尾鳍试验装置

3自由度仿生机器鱼尾鳍试验装置是专门用于模拟、演示3自由度仿生机器鱼尾鳍运动姿态和测量尾鳍力能参数的装置.针对工作环境和设计要求,综合运用生物仿生学、机器人学、机构学、工程力学及数控技术等理论和技术,探讨了3自由度仿生机器鱼尾鳍试验装置的原理及设计方法.该试验装置为各种形式仿生机器鱼的研制开发提供了一个模拟运动状态和测量力能参数的试验平台,对仿生机器鱼技术的研究具有重要意义.     

仿生机器蟹机构设计及结构参数优化

通过对原型生物体的结构简化 ,确定了仿生机器蟹步行机构的结构框架 ,引入了变向性、灵活性的概念 ,提出了以变向角、灵活度作为评价躯体灵活性的综合指标 ,在仿真环境下测试了仿生机器蟹结构参数对其变向性、灵活性的影响 ,并据此得到了优化的仿生机器蟹结构参数     

产品意象仿生设计中的耦合逻辑研究

为精准、有效地向用户传达产品的仿生意象,从生物本体入手,分析目标意象与产品属性间的耦联模式,提出产品意象仿生设计中的耦合逻辑研究方法。根据语义差分法(SD)获得生物目标意象,通过可拓层次分析法得到各目标意象的贡献度,提出主意象、次主意象及一般意象;结合生物造型,对主意象进行调研分析,确定待设计的仿生产品,结合可拓模型进一步建立生物意象与产品属性间的耦联关系;通过造型融合的方法形成意象仿生设计方案;利用模糊综合评价法对仿生设计实例进行评价,验证了方法的有效性。     

仿鲹科类机器鱼的研制与实验

机器鱼的研究,为研制水下低噪声、高效、商机动性移动平台提供了一个可行的方向。鱼在水下的游动方式多种多样,文章对其中一种即鲹科鱼类的游动方式进行了分析研究,介绍了按此原理模仿研制的1条三节的机器鱼,并对实验结果进行了初步的分析。     

柔性机器鱼的仿生运动拟合控制研究

基于一种新型弹性钢片尾部的仿生机器鱼机构,结合鱼类的运动学模型以及弹性钢片受力变形特性,得出机器鱼尾部的运动控制模型。通过实验验证了该运动控制模型能逼真地模仿鱼类的游动姿态。     

乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用

针对大多数机器鱼未采用弹性机制来提高能量利用效率和耐压能力低等的不足,对拥有高超游动能力,具有耐压结构的乌贼进行研究.分析乌贼喷射和鳍波动推进的游动机理,给出喷射推力、喷射和整周期流体推进效率方程.乌贼复合游动方式的优点是高速性和低速性均很好,能瞬时改变游动方向,噪声低,以及即使喷射速度低于周围流体速度,也能产生推力.为深入说明乌贼游动机理,研究乌贼外套膜和鳍这两套运动系统的肌肉性静水骨骼结构及其动作原理.肌肉性骨骼不但具有支撑躯体,进行动作和输出力的作用,还具有良好的耐压能力.大多数乌贼体内没有充气组织,外套膜腔内外静压平衡,进一步提高了它们的耐压能力.乌贼动作时,弹性机制能够减少能量消耗,提高能量利用效率.若能将乌贼的游动方式、肌肉组织结构和弹性机制等特点应用到仿生水下机器人上,将使其更加高效、灵活和耐压.     

微流体芯片仿生可逆封装方法

当2片聚二甲基硅氧烷接触时,黏附阵列中每根绒毛通过侧面与另一层的一根或多根绒毛的侧面接触,形成可逆封装。根据Baney-Hui的弹性圆柱体接触模型,得到了单根绒毛黏附力表达式。接着分别讨论了黏阵列的单面和双面接触形态以及相应封装强度。结果表明,双面接触形态的封装强度更大,最后用模版法制造了黏附阵列。     

机器鸟扑翼仿生机构研究

通过对鸟类翅膀的生理结构和运动特征的分析,分别从扑翼鸟的翅膀骨骼机构和飞行中翅膀运动规律两个仿生学角度设计了鸟类翅膀的驱动平面机构。并利用机构设计软件SAM6.0对其进行了运动学的仿真,仿真效果优异,从而为仿生大型鸟类机体设计提供了参考     

尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响

将速度收敛算法应用于仿鱼机器人自主游动的数值模拟研究中,以鱼体静止为初始条件,通过检验游动过程中的作用力动态修正游动速度,使其收敛到稳态值,进一步在收敛速度的基础上,研究尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响,揭示其推进机理和流场结构。计算结果表明,改变尾鳍运动的相位差和最大击水角度,采用速度收敛算法可以有效地预测仿鱼机器人的稳态游动速度,进而获得尾鳍运动行为与稳态游动的推进力、功率消耗和推进效率的映射关系,三维流场结构清晰地反映了尾鳍运动行为对尾迹结构、尾迹强度的影响机制。研究结果对于预测仿鱼机器人的稳态游动速度,揭示尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响机制,设计仿鱼机器人的运动参数具有重要意义。     

基于沉浸边界法的鱼体自主游动数值仿真

沉浸边界法是一种通过在流场中加入一个虚拟边界的方法实现壁面的无滑移效应的有限差分法,而虚拟边界是通过计算反馈力的方法得到。陈述了基于沉浸边界法的一种数值计算方法,并且利用这种数值方法对固定及简谐振动圆柱绕流进行了数值仿真,并将计算所得到的压力、涡量云图、流线以及阻力系数与文献进行对比,结果较为符合,验证了数值算法的可靠性;对于雷诺数Re=2500下摆动频率为2Hz的鱼体进行了自主游动数值仿真,得到稳定平均速度在1.35倍体长左右,推进效率η=76.4%。     

基于奥米亚棕蝇定位机理的仿生耦合处理系统

考虑超短基线的奥米亚棕蝇能精确地定位其寄主声源,建立了基于奥米亚棕蝇的仿生耦合处理系统以提高小型化测向设备的性能。依据奥米亚棕蝇听觉耦合结构的力学模型,计算听觉结构振动的时域响应、频域响应和响应的相位差,构建了仿生耦合处理系统的模型。分析了仿生耦合处理系统的性能,结果显示:通过设置合适的耦合参数,该系统可处理任意频段的信号,有效地增强信号间的相位差,理想条件下相位差可被放大18倍左右。针对确定的耦合参数,系统存在唯一的最敏感频率和最敏感入射角,即当信号频率等于最敏感频率时,耦合处理后的响应相位差可以达到180°;当以最敏感入射角入射时,响应相位差的变化率最大。该仿生耦合处理系统可采用两种体制测量方向:即依据测量的耦合相位差直接测向和在最敏感频率和最敏感入射角概念的基础上利用基线旋转实现测向。文中的分析结果为仿生耦合处理系统的应用提供了理论基础。     

一种摆动式柔性关节的遥控仿生机器鱼

该文提出一种波壳伸缩式摆动式柔性关节 ,突出了由弯曲关节构成的仿生机器鱼的设计。此关节采用板弹簧为柔性骨架 ,波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力。文中给出了柔性关节的简单结构、仿生机器鱼的基本构造、接受与控制系统的硬件组成以及驱动系统的原理