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。     

扑翼型机器鱼的建模及实现

把昆虫和鸟类的翼在空中张合和鱼的胸鳍在水中摆动进行类比,结合水下扑翼型推进鱼的原型,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料加入扑翼飞行器实现机器鱼的水下复合推进.设计利用曲柄摇杆机构实现扑翼运动,使用弹簧作为连接胸鳍与舵机的力传输元件,有效降低能量损耗;在尾部的沉浮舵通过拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉.实验证明,这种机器鱼实现了预期的扑翼形式.     

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。     

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。     

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。     

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。     

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。     

咽颌运动模式鱼类胸鳍的运动学建模及仿真

针对实际鱼类胸鳍运动的随机性、不确定性和复杂性等问题给胸鳍推进机理和推进性能研究带来的挑战与困难,以及柔性胸鳍仿生研究所存在的问题,在对太阳鱼胸鳍的结构和运动特征进行大量观测研究的基础上,分阶段建立柔性胸鳍推进运动的运动学模型,并对其运动形态的变化过程进行仿真分析。仿真结果表明,所建立的运动学模型能够较好地描述胸鳍推进运动的运动规律和运动形态。此研究可为柔性胸鳍推进机理、推进性能和仿生等方面的深入研究提供理论依据。     

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。     

一种仿生机器鱼尾鳍推进机构的设计

通过对曲柄摇块机构的改进,设计了一种新型的仿生机器鱼尾鳍推进机构。利用Pro/E运动学仿真模块及ANSYS软件,给出了该机构实现直线游动的条件,以及实现转弯运动的3种不同方式及其适用场合。在此基础上,指出了仿生机构实现多种模态的直线游动和转弯动作的控制策略。仿真结果表明:运动过程中机构质心变化范围很小,同时惯性力对动态平衡影响也很小,从而验证了所设计结构的合理性。     

咽颌运动模式仿生胸鳍的建模及试验研究

从咽颌运动模式鱼类胸鳍的骨骼结构和神经肌肉控制机理出发,充分发挥导边鳍条和后缘边鳍条的引导作用,设计一套新型的柔性仿生胸鳍,建立此仿生胸鳍的样机及其运动学和动力学模型。并对仿生胸鳍的推进运动进行了仿真分析和试验研究。将上述仿生胸鳍推进运动的仿真结果、试验结果以及实际胸鳍推进运动的观测结果进行了比较研究可以看出,所建立的仿生胸鳍数学模型是合理、有效的,能够较好地仿真仿生胸鳍的推进运动,同时从中也可以看出,所建立的胸鳍仿生机构能够较好地模拟鱼类胸鳍的推进运动。     

仿生机器鱼系统设计研究

介绍了鱼类推进理论及仿生机器鱼的系统设计研究,重点叙述了机器鱼系统设计中的机械结构设计、硬件电路设计和软件设计.     

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。     

身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析

随着海洋资源越来越受到国家重视,水下机器人已成为科研的热点。仿生机器鱼作为水下机器人,具有低噪声、对环境扰动小等特点。身体/尾鳍推进模式(Body and/or caudal fin,BCF)仿生机器鱼是指以身体/尾鳍推进模式推进的仿生机器鱼,它具有高速、高效、机动性高等优势,是近年来仿生机器鱼研制的重点。随着1994年首条仿生机器鱼的研制成功,许多优秀的相关研制成果已应用到水下考古、水质监测、污染检测等领域。基于此,介绍BCF鱼类的分类及特点、BCF生物鱼以及仿生鱼的推进机理,并着重介绍国内外BCF仿生样机的研制进展,对已有样机的驱动方式、机械结构和游动性能进行详细分析,揭示不同驱动方式所面临的技术问题,在此基础上总结BCF仿生机器鱼的发展趋势和应用前景。     

仿生移动机器人并联机构运动学正解的鱼群算法求解

基于改进的人工鱼群算法,提出了并联机构运动学正解的求解方法。构建了仿生移动机器人处于支撑状态的并联机构模型,应用螺旋理论计算了该并联机构的空间机构自由度,构建了仿生移动机器人并联机构的运动学正解模型,利用鱼群算法对正解模型的约束方程组进行设计。对鱼群算法所用数学模型进行了构建,对改进后的人工鱼群行为进行了算法描述。仿真结果表明,该人工鱼群算法具有良好的寻优性能,满足仿生移动机器人并联机构正解模型的求解要求。     

仿袋鼠柔性跳跃机器人的驱动力特性研究

依据袋鼠生物体的运动结构和跳跃运动特点，利用扭转弹簧模拟其关节柔性和肌肉的储能作用，提出仿袋鼠柔性跳跃机器人的伪刚体机构模型。应用凯恩法建立仿袋鼠跳跃机器人的动力学方程。基于MATLAB6．5，结合实例对机器人的运动和驱动力特性进行了仿真分析。分析结果表明：利用柔性机构可降低仿生跳跃机器人跳跃运动所需关节驱动力和能量消耗，同时也揭示了袋鼠跳跃运动快而耗能低的规律。     

仿鳐式软体驱动器弯曲预测方法的研究

相对于传统的刚性机器人,由硅胶等柔性材料制造的软体机器人在结构上具有自由度高且能够进行连续形变的特点。目前,多数软体驱动器的气腔形状为等截面形态,而对于变截面软体驱动器的研究却少有涉及。为了解决这一问题,从鳐鱼的运动受到启发,设计了一款气腔截面纵向变换仿鳐式软体驱动器。驱动器限制层设计为不可压缩的薄层,结合应变能密度等理论,提出一种预测驱动器的弯曲变形角度的方法。通过3D打印技术制作模具,浇注模型,制作出仿鳐式软体驱动器。通过理论分析、有限元仿真、实验对比验证其数学模型,绘制仿鳐式软体驱动器在0.02～0.07 MPa气压下的中心线轨迹,分析输入气压与末端输出力的关系,验证了驱动器的理论分析、有限元仿真与实验结果在一定的误差下基本一致。其预测方法表现良好,为进一步研究仿鳐式软体驱动器在空间形变提供理论方法。     

仿袋鼠跳跃机器人运动和力传递性能研究

在仿袋鼠机器人机构模型的基础上,建立了跳跃过程着地阶段的运动学方程;通过关节空间与操作空间速度的变换关系,定义仿袋鼠机器人跳跃运动速度和力方向可操作度;以速度和力方向可操作度为性能指标,度量仿袋鼠跳跃机器人在操作空间中的运动和力传递性能,解释了袋鼠起跳瞬间小腿与地面垂直是为了保证有足够的运动和力传递的灵活性。