仿生蝠鲼机器鱼BH-RAY3的研制及水力实验

通过对蝠鲼外形参数的设计和胸鳍变形机理的研究,研制了仿生蝠鲼机器鱼BH-RAY3。该机器鱼具有双柔性胸鳍,翼展620 mm,身长400 mm,最大航速1.09 DLS,外形阻力小,通过尾舵实现升降及转向。对BH-RAY3进行的水洞拖拽实验表明,随着拍动频率和幅度的增大,胸鳍推进力增大,在频率为1.0 Hz,幅度为24°时达到1.452 N;其次,对胸鳍被动变形形态的分析表明,柔性胸鳍同时产生0.25波长的弦向波和1个波长的展向波,与蝠鲼短波长、低频率的运动特点一致,验证了设计的合理性和可行性。     

微小型仿生机器鱼设计与实时路径规划

提出一种结构紧凑, 运动灵活, 装配多传感器, 可自主游动的微小型仿生机器鱼系统设计方案. 在仿鲹科加月牙尾模式鱼类运动研究的基础上, 给出了微小型机器鱼推进、转弯等运动的控制方法. 结合运动控制和传感器信息处理, 给出了基于红外传感器的自主避障算法和基于光敏传感器的主动趋光算法, 进而提出了基于这两种传感器信息感知的动态光源跟踪方法. 通过实验, 给出了机器鱼尾部摆动频率、幅度和运动速度之间的关系, 验证了机器鱼追踪动态光源算法, 表明了本文所提系统设计方案和算法的有效性.     

仿生机器鱼的设计及其运动控制研究

本文基于简化的鲹科鱼类的运动学模型,采用多关节的驱动方式和一种多电机的角度控制算法对机器鱼进行运动控制,并通过实验得到了验证,同时,为机器鱼设计了传感器网络,并运用智能避障的方法,使机器鱼具备一定的自主能力。     

水下仿生机器鱼的研究进展Ⅳ——多仿生机器鱼协调控制研究

本文探讨了多仿生机器鱼群体游动协调的问题,这是仿生机器鱼技术研究的一个新的方向,目前尚无人涉足.首先研制了一套具有高效、高机动性的微小型多机器鱼平台,提出了基于AGENT的网格算法进行多机器鱼的定位和协调控制,利用该实验平台,进行了多机器鱼对抗和多机器鱼协调过孔的实验研究.     

水下仿生机器鱼的研究进展IV——多仿生机器鱼协调控制研究

本文探讨了多仿生机器鱼群体游动协调的问题，这是仿生机器鱼技术研究的一个新的 方向，目前尚无人涉足．首先研制了一套具有高效、高机动性的微小型多机器鱼平台，提出 了基于AGENT的网格算法进行多机器鱼的定位和协调控制，利用该实验平台，进行了多机器 鱼对抗和多机器鱼协调过孔的实验研究．     

仿生机器鱼技术研究进展及关键问题探讨

本文简要介绍了仿生机器鱼技术在仿鱼推进机理研究中的地位和作用，探讨了这一领域关键的研究课题，并介绍了国内外几个机器鱼平台的研究进展。     

胸鳍推进机器鱼俯仰稳定性分析

胸鳍推进机器鱼的胸鳍在通过扑动产生推力的同时,也会产生纵向扰动,引起机身的俯仰运动,对应用产生一系列的影响.本文在传统潜艇稳定性概念的基础上建立了胸鳍推进机器鱼的俯仰稳定性模型,证明了机器鱼的俯仰运动系统是一个二阶线性系统;分析了由胸鳍扑动引入的扰动,证明其中包含常量分量、扑动频率的一倍频分量和二倍频分量.最后进行了样机的游动实验,实验结果间接证明了俯仰运动模型和胸鳍扑动扰动模型的正确性.     

仿生机器鱼玩具的机构设计、仿真与实现

机器人技术的一个重要应用领域是在娱乐方面。在对鱼类游动方式深入研究的基础上,将仿鱼水下推进技术应用于玩具设计,给出了一种仿生机器鱼玩具的机构设计方案及系统的设计、仿真软件,并研制出可在水中运动的仿生机器鱼原型。     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上,设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构,介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模,并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程,对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析,建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性,为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．     

仿生机器鱼的检测与特征提取

在现有仿生机器鱼平台的基础上研究了仿生机器鱼的检测和特征提取算法,并采用均值背景模型结合大津法计算的阈值计算出机器鱼位置,采用前后背景的自适应更新方式减少光照改变的影响以及机器鱼影子的干扰。然后通过数学形态学处理,得到最终的二值图像并将符合要求的二值图像块数目标记在左上角。将目标块用外接矩形围住,通过相应的公式计算出各机器鱼二值图像的几何特征。实验结果证明可以达到预期要求。     

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理．为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差．给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态．最后,通过实验验证了理论推导的正确性．     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

形状记忆合金驱动的微电脑密码锁的设计

为了提高锁的安全性和可靠性,设计了一种基于形状记忆合金螺旋弹簧驱动的微电脑密码锁。详细介绍了锁的机械结构、硬件设计方案和软件设计方法,并给出了部分电路图和程序主要流程图。本设计结合单片机的智能性和形状记忆合金材料的形状记忆效应,实现了密码锁封闭式的机械结构,提高了控制的智能化程度,克服了普通锁需要随身携带钥匙且易丢失、保密性差的缺点,使得密码锁的安全系数极高。实践证明,该密码锁具有可靠性高、成本低、操作简便等特点,有较高的推广价值。     

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.     

仿生“蚯蚓”机器人的SMA 执行器实现

虽然从生物学角度来说,蚯蚓的波浪式运动机制已经相当清楚,但在小尺寸下人工蚯蚓的实现仍然是极具挑战性的工作.采用记忆合金材料(SMA),设计实现了用于仿生蚯蚓机器人的执行器,并通过该执行器的动作循环模仿,实现了蚯蚓的波浪式运动.实现的人工蚯蚓共有四单元,每一单元都有可独立驱动的执行器.执行器由一根或三根SMA弹簧构成,其波动式运动的最高频率为0.6 Hz.每一单元人工蚯蚓,都被覆特定形状的软硅胶皮,该硅胶皮提供了SMA执行器的对抗力,同时也是安装微型腿的平台,从而进一步提高了人工蚯蚓的运动效率.初步的测试显示该执行器工作有效,人工蚯蚓的运动速度可达2.5mm/s,与真实的蚯蚓运动速度相近.     

形状记忆合金的驱动性能研究进展

简要介绍了SMA的物理与力学特性,并就其驱动性能的国内外研究现状进行了总结与分析.分析表明,利用SMA可以实时调控梁、板、柱等构件的应力分布,改变其受力状态.最后对目前研究中存在的问题进行了探讨,提出了应当开展的一些研究方向,展望了SMA在土木工程领域的应用前景.     

基于模糊控制的仿生机器鱼转向控制研究

针对一类微小型仿生机器鱼的转向控制问题,结合其自身运动的特点,提出一种基于模糊控制的转向控制算法.根据实验室经验建立模糊控制规则,运用Mamdani推理,构造出控制响应表.通过避障问题对算法进行验证,仿真结果表明,该方法对机器鱼的转向控制有效,可行且能满足实时性的要求.