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。     

基于双斜面偏转关节的新型仿生机器鱼推进机构研究

提出一种用于仿生机器鱼的新型尾部推进机构,该机构主要由双斜面偏转关节构成,可通过调节推进机构的2个驱动电机耦合转动来完成其两自由度偏摆运动。首先,阐明了该两自由度耦合偏摆关节的运动学机理,并通过ADAMS运动仿真,验证了其应用于机器鱼上实现直线游动的可行性。然后,建立了仿生机器鱼的直线巡游控制策略,并采用无人机航拍在户外水塘中进行了直线游动实验。水下实验测试结果表明,该仿生机器鱼可实现速度可控的直线巡游,最大速度为0.69m/s。与现有结果相比,基于双斜面偏转关节的仿生推进机构可为机器鱼设计提供新的参考。     

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。     

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。     

BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析

目前,仿生学者已经注意到身体/尾鳍摆动(Body and/or caudal fin,BCF)鱼类快速、高效的游动性能并制作多种基于生物原型的仿生机器鱼,但是,所研制的机器鱼样机性能与鱼类性能存在着较大的差距,这又进一步地促进了柔性鱼类快速高效游动机理的研究。从柔性鱼体游动过程中的机械特性和流场特性两方面出发,介绍国内外在BCF柔性鱼类游动机理方面的主要研究进展,重点讨论鱼类游动机理的变阻抗驱动和涡流控制两项关键技术。通过对鱼类游动机理研究成果的分析和总结,探讨柔性机器鱼研究的发展趋势。总的来说,随着BCF柔性鱼类游动机理研究的不断深入,仿生学科的交叉理论研究将得到进一步发展,仿生机器鱼与生物原型之间游动性能的差距也必将逐渐缩小,实际应用前景较为广阔。     

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。     

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。     

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.     

基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学建模

提出了基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学模型。通过对鱼体波状游动的运动学描述,将仿鱼机器人离散成刚性头部、柔性身体和摆动尾鳍三个部分并划分为多个运动环节进行分析,考虑鱼体外部环境的作用力:流体附加质量、流体加速作用的弗劳德—克里洛夫力、鱼体游动过程中的阻力特征,建立仿鱼机器人的动力学模型。数值实例表明,利用该动力学模型,能够有效地实现给定鱼体各环节的运动参数求解作用力矩、给定作用力矩求解运动规律,进一步设计仿鱼机器人各环节的运动规律,寻找一种实现鱼体推进力最大和推进效率最高的规划方法。该动力学模型的建立为研究仿鱼机器人的运动控制算法和规划算法,揭示鱼体利用流场能量的动力学机理提供了重要理论支撑。     

基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计

以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人。在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案。研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验。结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于仿生机器鱼的油浸式变压器内部故障检测平台设计北大核心CSCD

为解决大型油浸式变压器内部故障检测困难的问题,设计一种基于仿生机器鱼的油浸式变压器故障检测平台。首先,基于仿生设计原理,采用双尾鳍与两自由度胸鳍组合驱动方法,开展仿生机器鱼结构设计;通过集成摄像头、控制器、传感器系统等,赋予仿生机器人复杂环境下检测能力。然后,开展中继通信系统端、接收端功能设计,实现信息中继传输以及仿生机器鱼实时操控等功能。最后,通过开展110 kV变压器内部故障检测实验,证明基于仿生机器鱼的故障检测平台能够实现油浸式变压器的故障检测。     

两关节机器鱼无升潜游动动力学建模与仿真

以两关节机器鱼为研究对象,建立坐标系并选取合适的广义坐标,归纳出了两关节机器鱼无升潜游动动力学的正解和逆解问题.应用Lagrange方程,推导出了两关节机器鱼无升潜游动的动力学模型,给出了动力学模型中各个系数项的意义.通过机器鱼的动力学仿真,得到了鱼体摆动特性与机器鱼质量分布、尾部摆动频率的关系,给出了鱼体摆动对机器鱼运动学参数的影响.     

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。     

基于仿生机器鱼的油浸式变压器内部故障检测平台设计

为解决大型油浸式变压器内部故障检测困难的问题,设计一种基于仿生机器鱼的油浸式变压器故障检测平台。首先,基于仿生设计原理,采用双尾鳍与两自由度胸鳍组合驱动方法,开展仿生机器鱼结构设计;通过集成摄像头、控制器、传感器系统等,赋予仿生机器人复杂环境下检测能力。然后,开展中继通信系统端、接收端功能设计,实现信息中继传输以及仿生机器鱼实时操控等功能。最后,通过开展110 kV变压器内部故障检测实验,证明基于仿生机器鱼的故障检测平台能够实现油浸式变压器的故障检测。     

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。