基于Hopf振荡器的仿生机器魟鱼胸鳍波形控制算法

为了获得与生物魟鱼胸鳍相近的推进波形和游动性能,提出基于Hopf振荡器的仿生中枢模式发生器（CPG）胸鳍波形控制策略. 针对仿生机器魟鱼的结构与游动特征,利用20个Hopf振荡器耦合构建中心式CPG拓扑网络模型;通过输入参数幅值、频率和波数,控制该拓扑网络模型输出仿生机器魟鱼定常巡游、加速游动和机动转弯3种游动模式下胸鳍波形的动态位置信号. 通过仿真验证了该拓扑网络模型能够快速响应输入参数的变化,稳定输出平滑、连续的动态位置信号. 通过试验研究该拓扑网络模型控制仿生机器魟鱼胸鳍波动的可行性以及网络的输入参数对仿生机器魟鱼游动性能的影响. 试验结果表明,该模型能够稳定地输出耦合的波形信号,控制仿生机器魟鱼鳍面形成与生物鱼相似的推进波形,实现各游动模式以及各游动模式间灵活平滑地切换.     

形状记忆合金丝驱动的触手推进式仿生水母

为研制一种高效自主游动的新型水下机器人,受水母的身体特征和鱼尾的推进模式的启发,利用智能材料——形状记忆合金丝(shape memory alloy,SMA)模拟肌肉纤维作为驱动材料,在对水母整体结构进行仿生改造,并对其运动策略进行分析的基础上,研制了一种由6个仿生触手推进器驱动的仿生机器水母原理样机．该机器人总长230 mm,直径110 mm,总质量590 g,自带能源动力,在无线遥控下能达到115 mm／s的直线游动速度和18 °／s的转弯速度．实验结果表明:该仿生水下机器人结构、密封简单,机动性强,能够无声推进,并具有生物友好性等优点,验证了形状记忆合金丝做仿生肌肉材料的可行性．     

ICPF驱动的微型机器鱼游速的影响因素分析

为使ICPF驱动的柔性微型机器鱼较好地应用于血管微创手术和工业管道检测等领域,对机器鱼进行理论研究是必需的.依据库塔-儒柯夫斯基定理得到鱼尾在流体中产生的推力,建立了机器鱼的动力学模型.分析了机器鱼游动速度的变化规律;尾鳍摆动角度的幅值、相位、频率对机器鱼游速的影响规律.为以后研究优化机器鱼的游动能力,提高机器鱼的可靠性和灵活性提供了理论依据.     

仿生机器鱼监控系统设计与实现

仿生机器鱼作为一种高效的水下推进机器人,在水域探测、开发、安防等方面具有广阔的潜在应用前景。仿生机器鱼监控系统的设计是仿生机器鱼游动机理和运动控制的重要基础。文章围绕监控系统的硬件、软件、无线通信与系统界面,设计了一种仿生机器鱼监控系统,搭建了仿生机器鱼监控系统实验测试平台,并对其测试结果进行分析。结果表明:仿生机器鱼根据系统中的输入命令能够做出相应的动作,同时系统界面上产生不同运动模态下的曲线;仿生机器鱼执行命令时实时向监控计算机发送返回值,实现两者之间的无线通信协议;监控计算机与仿生机器鱼可以实现稳定交换游动控制命令、游动模式、游动姿态等数据,运行效果良好。     

仿生双尾推进的试验研究

针对单尾鳍摆动推进存在的机器鱼摇艏问题,理论分析了仿鱼尾鳍摆动过程中推力系数和侧向力系数的脉动情况,设计出仿生双尾推进器,并将其应用于小水线面双体船,开发出新型仿生双尾推进水上试验平台,同时,根据鱼类高效推进的机理,分析了仿生双尾推进器尾涡的相互影响.实验研究结果表明仿生双尾推进的尾鳍摆动频率和摆幅对推进性能影响较大,其中幅值的影响更加明显,月牙形尾鳍具有更高的推进效率.仿生双尾利用并发挥仿鱼推进的优点,具有良好的推进和操纵性能.     

仿生机器蟹样机研究

文中介绍的仿生机器蟹具有8足,24个自由度,基于ARM的双层分布式递阶控制方式,通过多传感器获取环境信息,调节身体的姿态,目标是可以自主地在海滩、礁石区和崎岖不平的环境行走.文中介绍了仿生机器蟹原理试验样机研制的过程和主要研究方法,主要包括生物原形分析、模型的建立、运动学分析、步态问题、机械结构设计、控制系统设计和原理样机的试验等内容.在单步行足的控制实验的基础上,进行了原理样机的整机行走实验研究.仿生机器蟹能够实现前进、后退、横行、转弯等功能,并具有一定的越障能力.进行仿生机器蟹的研究,目地是建立多足步行机器人的研究平台.     

仿生航行器的研究进展

由于仿生航行器具有高效性和高机动性等优点,已成为仿生机器的研究热点。仿生飞行器以扑翼式飞行器和机器鱼为主,本文主要综述了扑翼式飞行器的空气动力学、结构原理和研究方法等内容,并重点介绍了机器鱼的力学分析理论、计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)分析方法以及身体/尾鳍模式和中央鳍/对鳍模式两类仿生鱼的结构原理和发展现状,总结了仿生机器鱼在推进机理、设计优化、运动控制等方面所面临的问题。研究结果表明,机器鱼的扑翼系统可实现集上浮、悬停和推进于一体,将有限的动力分配到各个机构,实现了动力的有效分配。同时,结合机器鱼的局限性,本研究还提出了一种新型的扑翼机器鱼的可能性,为后续研究提供了一定的思路。该研究为海洋资源的勘探、民用及军事领域的发展提供了理论基础。     

仿生机器鱼位姿模糊控制研究

仿生机器鱼处在非线性的、时变的、复杂的水环境中,难以建立精确的数学模型,其位姿控制成为当前的主要难题之一.为了解决这个难题,设计了一种适应的模糊控制算法,可以实时地控制机器鱼的方向和速度,通过调整方向和速度的误差两个变量,使机器鱼能够快速地、较精确地到达目标点.在现有的水下机器人协作控制平台下,进行了机器鱼从一个目标位姿到另一个目标位姿的游动实验,结果表明该算法计算量小,显著提高了机器鱼控制的精度,证明了算法的有效性及可靠性.     

仿生机器鱼近壁面流场识别的人工侧线方法

针对仿生机器鱼目标近距离作业时的环境识别难题,提出一种基于人工侧线(ALL)的近壁面流场识别方法。理论分析了ALL感知近壁面流场环境的可行性,建立了ALL虚拟压力传感器阵列并采用计算流体动力学(CFD)方法计算并提取了不同参数条件下(来流速度v,靠壁距离d和游动频率f)仿生机器鱼的体表压力数据,建立了基于多层前馈神经网络的来流速度和靠壁距离预测回归模型,并对模型结构和数据特征进行了优化。结果表明:壁面效应将引起鱼体周围流场结构的非对称分布,鱼体头部和尾部的侧线传感器对流场参数的辨识度高,消除弱相关的特征对来流速度和靠壁距离预测指标的影响小且有利于降低预测模型的复杂度。研究结果能够为水下机器人环境识别的信息提取及处理提供理论方法。     

基于中枢模式发生器的机器鱼分层闭环控制方法

为实现多关节仿生机器鱼自主巡航及柔性游动的同步控制,采用双向链式最近相邻耦合方式,构建了基于Hopf振荡器的中枢模式发生器（CPG）网络模型,并分析了控制参数与机器鱼游动模态之间的关系。在此基础上,提出了一种基于CPG的分层闭环控制方法,利用传感器网络获取机器鱼的状态信息及环境信息、粒子群-人工势场法进行机器鱼的避障及路径规划、模糊控制器进行轨迹跟踪、具有耦合反馈机制的CPG网络模型生成节律控制信号。最后,进行了机器鱼多个游动模态、模态间的平滑切换、自主巡航和避障的仿真和实验研究,仿真与实验结果验证了所提控制方法的可行性和有效性。     

超磁仿生鱼快速起动的控制和设计

本文首先对自然界鱼类的基本构造和工作原理进行仿生.以合金薄板,贴在该薄板的超磁致伸缩材料和外磁场分别模拟鱼尾骨架,鱼体肌肉和控制鱼体摆动的神经.建立起一个力学模型和一种计算方法.通过数值分析,揭示了仿生机器鱼起动过程中最佳模式是从低阶模态到高阶模态的迅速过渡.这样可以通过控制外磁场(强度和频率),从而实现控制仿生机器鱼从静止快速起动目的.研究成果为仿生机器鱼的设计提供依据和技术.     

潮流能水平轴叶轮纵摇运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴叶轮的水动力特性发生变化。采用滑移网格及动网格技术对无界均匀来流中旋转叶轮强迫纵摇时的三维水动力特性进行分析,研究不同纵摇频率、纵摇幅值、速比等参数对叶轮水动力的影响规律,以及根据叶轮纵摇运动时的水动力时历曲线,拟合得到叶轮的纵摇阻尼系数。研究表明:叶轮轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,波动幅值随纵摇频率、纵摇幅值及速比的增大而增大;叶片表面压力分布时刻发生变化,纵摇频率、纵摇幅值及速比越大,变化越明显;纵摇阻尼系数与纵荡频率、振幅无关,而与叶轮旋转速度相关,旋转速度越大,阻尼系数越大。     

一种双关节机器鱼的设计与实现

针对水产养殖和水环境保护领域对移动式水质监测的需求,本文设计了一种双关节仿生机器鱼。通过分析机器鱼的游动和转向规律,建立了双关节机器鱼的动力学模型,提出了基于模糊控制的复合避障算法、并通过仿真验证了其可行性。选择双关节尾鳍推进方式,完成了机器鱼的机械结构设计;以STM32单片机为控制核心、舵机作为运动执行元件、5个红外测距传感器合理布局实现避障、Lora无线传输方式实现机器鱼与主机的通信,完成了机器鱼控制系统的设计。最后,搭载水质传感器在实际水域对该机器鱼进行了应用测试,测试结果表明机器鱼可以成功避开障碍物并完成水质参数的采集任务、数据准确性高且具有低扰动性。     

可坍陷管位移振荡的稳定性问题

可坍陷管中,当管流速度幅值超过临界速度时,会产生失稳和位移振荡。本文的分析表明,临界速度本身随管流还有一个相应的波动变化,波动周期与来流脉动周期相同,波动的幅度与管流速度的大小和频率的乘积成正相关。临界速度的这种波动变化会改变系统的稳定性。     

管坯壁厚不均匀缺陷对铜管游动芯头拉拔过程影响分析

针对铜管管坯表面存在壁厚不均匀缺陷,为分析壁厚不均匀对铜管游动芯头拉拔过程的影响,采用壁厚不均匀度作为壁厚不均匀评价指标,并利用有限元分析软件MARC,建立壁厚不均匀铜管游动芯头拉拔有限元模型,对铜管游动芯头拉拔过程进行数值模拟.结果表明:随着壁厚不均匀度的增加,拉拔力逐渐减小,且大致成线性递减趋势,并产生波动,波动幅值随着壁厚不均匀度的增加而增大;游动芯头轴向位移和芯头窜动量都随着壁厚不均匀度的增加而增大,但增加的幅值逐渐减小;等效应力在轴向和径向的梯度逐渐增大,容易造成铜管在拉拔过程产生拉裂现象.随着壁厚不均匀度的增加,等效应变在径向和轴向存在严重分布不均匀,应变梯度较大,容易使铜管发生扭曲变形.     

U形直线超声电机结构设计

针对直线超声电机的小型化问题,提出一种新型U形直线超声电机,该电机由U形定子和导轨组成,压电陶瓷片采用粘贴的方式固定在定子上.研究了电机的激振方式与位置,设计并加工了直线超声电机样机和测试装置.将柔性铰链结构应用到直线超声电机夹持中.通过实验确定了电机的最佳工作频率、预压力.研究了输出力和空载速度随工作频率、预压力和电压的变化规律.实验表明,电机在电压值400 Vpp,预压力25N条件下,最大空载速度470 mm/s,最大输出力9N,定子质量25 g,推重比达36;柔性夹持能提高电机的模态一致性和效率,同时简化了电机结构.该研究为电机小型化发展奠定基础.     

肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器

模拟乌贼鳍动作的肌肉性静水骨骼原理的仿乌贼鳍推进器由推进模块、遥控模块、驱动模块和电池组等几部分组成.推进模块由2个水平鳍构成,每个水平鳍由1张鳍膜和5个由形状记忆合金丝驱动的柔性鳍单元组合而成.柔性鳍单元模拟乌贼鳍结构,能实现柔性弯曲.柔性鳍单元动作过程中利用弹性机制,在弯曲时存储弹性能,在回复时释放弹性能,从而减少能量消耗.对柔性鳍单元的形状记忆合金丝进行了热力学分析,发现采用短脉宽、大电流的脉冲可使柔性鳍单元在较高动作频率时,达到较大的弯曲角度.在空气中和水中对柔性鳍单元进行了弯曲试验,验证了柔性鳍单元的设想和控制方法.对该推进器模仿短鳍乌贼的鳍拍动进行了游动试验,达到了40mm/s的最大直线游动速度和22(°)/s的最大打转游动速度.该推进器对环境友好,能实现柔性动作和水下无声推进.     

静态混合器内瞬态壁压波动特性实验研究

为了探讨静态混合器内非线性流动特性,利用动态数据采集系统对sK型静态混合器管壁脉动压力进行测量,研究湍流状态下壁压的脉动幅值、功率谱以及结构函数的扩展的自相似标度律.实验研究表明:SK型静态混合器各点压力的最大波动幅值大于125 Pa,并与进口流量呈二次函数关系逐渐增大;瞬态壁压脉动信号的一阶主频率低于0.5 Hz,功...     

水下仿生机器鱼控制平台的研究

针对水下仿生机器鱼(简称机器鱼)实验以及应用等要求,结合图像识别、无线通信和人工智能等技术,设计了机器鱼控制平台。该控制平台通过HLS变换,二值化等算法,克服了图像出像麻点与光照不均等影响机器鱼控制的问题。通过对实验结果分析,进一步验证了该平台对机器鱼控制的正确性和有效性。该控制平台能为机器鱼的研究提供良好的环境。     

新型永磁体外置式直线振动发电机性能研究

设计了一种新型圆筒式直线振动发电机，采用永磁体外置式结构，绕组和铁心放置在内侧，利用永磁体的振动产生感应电动势，该型发电机可以为小型设备提供低压直流电源.基于常规永磁体内置式振动发电机尺寸，设计了一款永磁体外置式发电机样机，并采用二维有限元方法对其非线性无边界轴对称磁场进行了系统分析，得到了感应电动势的变化曲线.样机实验结果和有限元分析结果吻合良好，该型发电机与现有的永磁体内置式发电机相比，效率高，永磁体用量少，去磁效应小，电机性能稳定.当2种发电机均以1 m/s速度运行时，永磁体外置式直线振动发电机的空载感应电动势幅值比永磁体内置式发电机高0.6 V左右，效率提高了约1.64%.