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。     

基于遗传算法的胸鳍推进性能优化研究

由于鱼类胸鳍的推进性能是和其运动学参数直接相关的,为了进一步提高胸鳍的推进性能,建立了胸鳍推进运动的运动学模型,对在推进运动过程中胸鳍所受到的水动力进行了计算,并建立了对其推进性能进行优化的数学模型,然后,采用MATLAB编写了相应的遗传优化算法,以对胸鳍推进性能进行了优化设计。最后,对优化结果和胸鳍的推进性能进行了仿真分析,从仿真结果可以看出,所建立的优化模型以及所采用的优化算法能够较好的对胸鳍的性能进行优化,提高了胸鳍在推进过程中的推进力。因此,所进行的优化分析是合理、有效的,为进一步提高胸鳍的推进性能提供了一定的理论依据。     

欠驱动柔性胸鳍仿生设计及仿真

为了进一步提高咽颌运动模式鱼类胸鳍仿生机构的性能,以实际鱼类胸鳍的结构和驱动控制机理为基础,采用欠驱动技术设计了一套新型的柔性胸鳍仿生机构,建立其运动学和动力学模型,并采用Matlab对其性能进行了仿真分析。从仿真结果来看,所建立的新型柔性胸鳍仿生机构及其运动学、动力学模型是合理、有效的。它不但能够较好的模拟胸鳍的各种操纵运动,而且减少了驱动装置的数量,降低了系统的复杂性。从而为深入研究鱼类胸鳍的推进机理和新型水下操纵工具的设计提供了一定的基础和保障。     

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。     

刚性扑动仿生蝠鲼鱼的设计

蝠鲼鱼通过胸鳍摆动,在低速条件下具有良好的操纵性和稳定性。对蝠鲼鱼胸鳍刚性摆动时的水动力学性能进行仿真分析,得到蝠鲼鱼胸鳍刚性扑动最佳参数,同时得到最大推进因数。在此基础上,对刚性扑动仿生蝠鲼鱼的结构和控制系统进行设计,并进行样机研制。通过仿真与样机试验对比,验证刚性扑动仿生蝠鲼鱼设计的合理性,运行效果良好。     

轻量级电驱水下机械臂设计与运动学分析

设计了一款四功能水下机械臂，并对驱动关节进行了模块化设计和密封测试。为了保证水下机械臂的可靠性，在水下机械臂水下测试前，进行了强度校核和模态分析。为了验证水下机械臂的性能，通过 Ｄ- Ｈ法建立了其运动学模型，在此基础上分别进行了正、逆运动学分析。此外还采用蒙特卡洛法，在正运动学分析的基础上研究了工作空间特点。研究结果将为进一步的运动控制提供有益的帮助。     

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。     

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.     

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。     

六自由度水下机械臂设计与分析

为了解决有缆水下机器人(ROV)上搭载的机械臂作业范围不大、水下作业能力有限的问题，对六自由度(6-DOF)水下机械臂进行了研究，设计了一种带有平动开合功能夹持手爪的六自由度水下机械臂，实现了主手对从手的关节驱动器(液压缸或摆动缸)进行位置控制的目的。首先，基于多目标优化规则对夹持手爪进行了计算，求解出液压缸最短行程在20 mm时即可实现手爪的120 mm平动开合范围目标；然后，建立了六自由度机械臂活动关节的D-H数学模型，对机械臂的正、逆运动学进行了求解；最后，采用Solid works软件对设计的机械臂进行了干涉检查，并利用MATLAB软件仿真分析了6个活动关节的运动轨迹，采用蒙特卡洛法求解了机械臂的工作空间范围，并进行了样机测试和水下实验。研究结果表明：机械臂的仿真模型位姿与三维模型位姿一致，机械臂的6个活动关节速度和加速度曲线都是光滑平顺的、无突变点，不存在超调现象；设计的六自由度水下机械臂夹持手爪可以按照预定指令进行120 mm开合运动，ROV上的从机械臂能够跟随主机械臂运动，加减速性能良好，各关节转角范围满足设计要求，可为下一步机械臂的结构优化奠定基础。     

基于振动理论的摆动活齿传动机构动态优化设计

应用集中参数法,建立了摆动活齿传动机构的扭转振动模型,推出了传动机构的动力学微分方程.基于此模型并考虑影响动态性能的结构参数,以摆动活齿的振动角加速度最小为目标函数,利用Matlab软件对摆动活齿传动机构进行了动态优化设计,设计结果对提高摆动活齿传动机构的传动效果和设计质量具有一定的意义.     

介电型EAP柔性摆动驱动器研究

为研究介电型EAP摆动驱动器的性能,设计制作了柔杆式介电型EAP摆动驱动器。对驱动器的摆动性能进行了测试,获得了不同施加电压下驱动器的摆动角度与阻转力。结果表明,随着施加电压的增加,驱动器的摆动角度、阻转力也在增加,且在电压较大时增加更快。此外,EAP的拉伸率对驱动器性能也有一定的影响,并指出了该驱动器在结构与性能优化的基础上,可潜在用于仿生机器人的摆动驱动。     

基于ADAMS的门式起重机动态性能分析

起重机在高频率启动和制动过程中,必会给机械系统带来强烈的冲击与振动。根据某型号门式起重机主要的工作性能参数,计算出该型号门式起重机启动和制动的载荷。在Pro/E中建立三维模型,保存为X_T文件,然后导入到ADAMS中,赋予三维模型构件力学性能参数,建立门式起重机虚拟样机模型,对起升机构和运行机构的联合启动、制动工况进行多刚体系统动力学仿真分析,得出各个工况下,吊重的摆动位移曲线。为门式起重机的设计提供了一种简便、经济和实用的方法。     

二氧化碳摆动转子膨胀机的设计与受力研究

设计开发了二氧化碳摆动转子膨胀机,代替节流阀减小节流损失。研究给出了膨胀机摆动转子进行受力分析情况,对关键部件摆动转子进行了应力与变形的计算。结果发现膨胀机的摆杆两侧的摩擦力很大,将会导致此处的摩擦损失增大。与滚动活塞膨胀机相比,摆动转子膨胀机的总力矩更大,更有利于膨胀机的运行。计算结果表明,摆动转子膨胀机结构上有优势,承压能力很好,适于在高压差下工作。     

基于理想推进器理论的尾鳍推力与效率估算

鱼类尾鳍的动力学问题已经得到广泛研究,但是在进行尾鳍推进器的设计时,还缺乏一种简单有效的设计和估算方法,将尾鳍的运动参数与推力、效率联系起来;在观测和分析尾鳍流场的基础上,研究了2自由度尾鳍推进器的流场结构和推力形成原因;将理想推进器理论应用于尾鳍推进器的推力和效率计算,提出了射流及其诱导速度的量化假设,建立了推力、效率与运动参数、斯特劳哈尔数之间的函数关系;运用该函数对海洋动物的典型运动状态进行了估算,估算结果与动物观测现象基本吻合,该方法在机器鱼模型设计中得到了应用和验证。     

几种人字门底枢材料的摩擦磨损性能研究

通过摩擦磨损试验和摆动试验对比考察了几种人字门底枢材料在水润滑和脂润滑条件下摩擦磨损性能，并进行摩擦磨损机制分析，选出一种综合性能较好的材料，进行一些机械性能的测试，为下一步台架模拟试验作准备。研究表明：一种新材料FZ5（3）在摩擦磨损试验和摆动试验中都表现出优异的性能，通过硬度测量、拉伸性能等试验表明其具有优良的机械性能。