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。     

基于虚拟样机的仿鲹科机器鱼游动姿态仿真研究

为实现仿鲹科机器鱼的真实运动模拟,通过对一种仿鲹科机器鱼进行方案设计、三维实体建模和ADAMS运动仿真,实现仿鲹科机器鱼的仿真模拟;设置多舵机串联驱动机器鱼多种驱动模式,进行鲹科鱼类的推进模式及其动力学分析;并通过对比各个游动模式下的机器鱼身体波波幅包络曲线,获得机器鱼最贴合实际的舵机驱动方式。本研究为仿鲹科机器鱼的设计和优化提供参考依据。     

基于舵机驱动的仿鲹科机器鱼设计与制作

为实现仿鲹科机器鱼的模块化设计,减少仿鲹科机器鱼的制造成本,根据鲹科鱼类的游动方式,设定仿鲹科机器鱼的4大模块,包括驱动模块、连接模块、控制模块和密封模块;利用三维实体建模软件建立仿鲹科机器鱼的三维模型,结合虚拟样机技术进行机器鱼的运动仿真,采用3D打印等技术实现机器鱼的实体制作。基于舵机驱动的仿鲹科机器鱼模块化设计、虚拟样机仿真及高效率制造等研究,为其实际应用提供一定的理论前提和应用参考。     

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。     

鲹科和鲔科仿鱼机器人自主游动机理的分析与比较

采用计算流体力学方法对自主游动的仿鱼机器人进行数值模拟,给定相同的物理模型,将鱼体分别按照鲹科模式和鲔科模式运动学进行游动,提取两种模式的力能学和流场结构信息.通过比较二者的收敛速度、推进力和侧向力、功率消耗和推进效率、流场结构的差异,归纳出提高仿鱼机器人游动性能的影响因素.结果表明,鲹科模式中的"波动鱼尾"和鲔科模式中的"摆动鱼尾"在自主游动中起到了极为可观的作用;鲹科模式具有良好的综合游动性能,只有在合理的参数范围内,鲔科模式的游动性能才会较鲹科更为占优;对于鲔科模式而言,欲获得理想的收敛速度和推进效率,应优先选择合理的最大击水角度,再依据快速和高效的不同目标适当调整相位差.研究结果对于理解鲹科和鲔科仿鱼机器人的自主游动机理、开发新型仿鱼机器人具有重要意义.     

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。     

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。     

仿蝠鲼机器鱼软体胸鳍建模与仿真

介绍一种仿蝠鲼机器鱼上使用的软体胸鳍推进器,具有三维立体翼型并集成多个软体致动单元,具备更高形态及运动仿生度。分析提取了生物原型翼缘曲线并建立扑翼运动学模型,解耦描述胸鳍俯仰-摆转复合运动模式;对比了不同致动器数量的软体胸鳍运动特性与控制策略,并通过样机静态加载试验验证了有限元模型可靠性;基于格子-玻尔兹曼方法实现复杂曲面动态边界的流固耦合,在仿真环境中分析了单/多自由度软体胸鳍在不同工况下的扑翼推升力特性;数据对比表明多自由度胸鳍平均推力为单自由度的7.2倍,性能优势显著,为进一步水动力试验研究与机器鱼平台整合提供了数据预测与方向指导。     

欠驱动仿袋鼠跳跃机器人动力学耦合研究

根据袋鼠的生物结构及运动特点,建立了具有欠驱动关节的仿袋鼠跳跃机器人模型。以此模型为基础,分析系统的主动关节与被动关节之间的加速度耦合效应。采用拉格朗日方方法建立了机构的动力学方程。结合实例,运用Matlab软件对机器人进行仿真分析,给出了机器人全局单关节耦合变化规律。结果表明:仿袋鼠跳跃机器人的踝关节与欠驱动关节间存在足够大的耦合并且通过动力学耦合来控制欠驱动关节的位置是可能的。动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计和驱动装置位置有重要作用。     

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.     

仿生机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法

从揭示鱼类外形仿生和运动仿生中蕴含的仿生机理出发,提出一种机器鱼自主游动中的流体结构耦合新方法,该方法将流体变量和结构变量同步进行推进,并在每个迭代步内进行子迭代,因而提高了算法的稳定性。将鱼体游动介质分为流体介质、结构介质和相互作用的交界面介质,分别建立三种介质的动力学方程。采用隐式耦合方法,给定鱼体变形为输入,将鱼体运动转移到流体单元上,形成对周围流体的激励,通过求解流体动力学方程得到流体作用力,并将该作用力传递于鱼体,作为外力来驱动鱼体自主游动,从而实现流体和结构的交互过程,最后通过机器鱼的自主游动算例验证了方法的有效性。该方法可以评价不同外形和不同运动规律的机器鱼自主游动性能的优劣,进而为揭示仿生游动机理提供科学依据。     

三环减速器热弹耦合动力学特性研究

针对三环减速器存在的发热严重、振动大、噪声高等问题,建立了齿轮-轴-轴承-箱体系统热弹耦合有限元模型,得出三环减速器整机的温度场,结果表明,输入轴行星轴承是主要的发热源。在此基础上,将热单元转换为结构单元,加载模型的节点温度,得出整机固有频率和振型。并施加齿轮内部动态激励,进行整机动态响应的数值仿真,结果表明,考虑热弹耦合后,固有频率有所降低,箱体表面的振动位移和加速度有所增大。为三环减速器的参数优化以及散热系统的合理设计提供一定的理论依据。     

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。     

仿鱼柔性长背鳍波动运动机构的设计与仿真

以“尼罗河魔鬼”鱼的柔性长背鳍波动运动为对象，研究了背鳍运动的仿生原理，介绍了背鳍运动建模方法，设计了一种仿鱼背鳍波动运动的机构，对该机构及其单节摆动装置进行三维仿真及虚拟装配。仿真的结果表明，该机构的波动运动方式可行，具有结构肾凑、运动平稳等显著的特点。     

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。     

转子弯扭耦合振动非线性动力学特性研究

对Jeffcott转子的非线性弯扭耦合振动微分方程进行了理论分析，得出了在弯扭组合共振区内弯曲振动和扭转振动的频率特征，利用数值方法对转子系统在较宽的参数域内进行分岔研究，得出了弯扭组合共振为概周期运动的结论，求出了弯扭组合共振区与不平衡量之间的关系，分析结果为转子的安全运行和弯扭组合共振故障的判别提供了理论依据。     

带式输送机输送带的刚柔耦合动力学特性研究

为了研究带式输送机在实际工况下的动力学特性,采用新方法建立输送带动力学方程,即"柔性梁+带元"建立力学方程,推导出系数矩阵,利用RecurDyn软件构建整机刚柔耦合模型并根据系数矩阵进行动力学分析,得出了输送带的动态特性,表明带式输送机根据在不同工况下设定的条件利用刚柔耦合仿真分析更加接近实际工况的结论。验证了刚柔耦合动力学仿真分析方法的正确性、先进性,为提高系统稳定性、优化结构提供了一种更有效可行的、更接近实际工况的分析方法。