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。     

基于收敛速度的仿鱼机器人游动力学性能的数值模拟

将速度收敛算法应用于仿鱼机器人直线游动的数值模拟研究中,任意给定初始速度,通过检验游动过程中推进力和阻力的数值动态修正鱼体的游动速度,使其收敛到稳态值,进一步在收敛速度的基础上,对仿鱼机器人稳态游动的力学性能进行数值模拟,揭示其推进机理和流场结构。计算结果表明,改变摆动频率和尾部最大摆幅,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,进而获得稳态游动的推进力、功率消耗和推进效率,三维流场结构清晰地反映尾部交变的正压梯度与头部的逆压梯度效应。研究结果对于预测仿鱼机器人的稳态游动速度,揭示稳态游动下仿鱼机器人的推进机理,设计仿鱼机器人的运动参数具有重要意义。     

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。     

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。     

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.     

二次曲线廓形胶囊机器人速度分析

在圆柱机器人基础上提出一种二次曲线廓形胶囊机器人,表面二次曲面与管壁形成四个收敛楔形空间,使流体运动路径发生改变并产生多楔形效应。建立流体动力学模型,对机器人稳态游动速度进行求解分析。研究结果表明,二次曲线廓形胶囊机器人稳态游动速度更大,提高了肠道内驱动性能、安全性与作业效率,实用前景良好。     

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。     

昆虫飞行与鱼游动的运动一致性研究

通过分析鱼游动时的"鱼尾效应"和昆虫飞行时的"柔性楔形效应",进行昆虫类飞行生物与鱼游动物的柔性与节律运动的一致性研究,揭示了昆虫飞行的"柔性楔形效应"和鱼游动的"鱼尾效应"具有的相同内涵,即生物运动所需的力缘于柔性和节律运动。仿生运动的模拟越简单越容易稳定地实现,在自适应变形状态下施以简单的节律运动将是未来仿生扑翼飞行机器人翅翼驱动方式和仿生游动机器人驱动方式的发展趋势。     

轻小型磁动力机器鱼机械设计与致动机理研究

随着人类对海洋的深入探索,自主水下机器人逐渐成为研究的热点。由于传统推进方式使用螺旋桨作为动力元件具有效率低、结构复杂、噪音大等缺点,研究人员开始尝试设计新型推进方式。受到自然界鱼类运动方式的启发,现提出一种新型水下机器鱼推进机构的设计方案。首先介绍该设计的机械结构,然后阐述该方案的致动机理,最后以水中实验测试论证其可行性。结果表明,采用该推进方式水下机器鱼游动性能很好,在很大程度上弥补了传统推进方式的缺点。     

乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用

针对大多数机器鱼未采用弹性机制来提高能量利用效率和耐压能力低等的不足,对拥有高超游动能力,具有耐压结构的乌贼进行研究.分析乌贼喷射和鳍波动推进的游动机理,给出喷射推力、喷射和整周期流体推进效率方程.乌贼复合游动方式的优点是高速性和低速性均很好,能瞬时改变游动方向,噪声低,以及即使喷射速度低于周围流体速度,也能产生推力.为深入说明乌贼游动机理,研究乌贼外套膜和鳍这两套运动系统的肌肉性静水骨骼结构及其动作原理.肌肉性骨骼不但具有支撑躯体,进行动作和输出力的作用,还具有良好的耐压能力.大多数乌贼体内没有充气组织,外套膜腔内外静压平衡,进一步提高了它们的耐压能力.乌贼动作时,弹性机制能够减少能量消耗,提高能量利用效率.若能将乌贼的游动方式、肌肉组织结构和弹性机制等特点应用到仿生水下机器人上,将使其更加高效、灵活和耐压.