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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

两栖仿生机器鱼行为方式及其实现

以两栖四关节机器鱼为研究对象,详细说明了一般鱼类的行为方式及机理,并以此设计出新型摆动式柔性尾部的仿生机器鱼。该机器鱼依靠简单可靠、成本低廉的机构,较真实地模仿鱼的动作,实现了机器鱼在水中的灵活游动和沉浮等,具有推进方式简单、推进效率高、转弯半径小、噪声低等优点,为水下作业、水下探测等创造了条件。     

双尾鳍仿生推进器C型转弯运动控制建模研究

提出了一种新型仿生水下推进器,采用多关节双尾鳍协同驱动方式融合了波动推进模式和射流推进模式,能够实现巡游、加速、转弯和制动等机动动作。以多关节击水鳍数值逼近鱼类游动体波曲线为目标,建立了仿生推进器C型转弯过程运动控制模型,实验测试验证了模型的有效性和实用性。     

仿鲹科机器鱼双体耦合波动推进动力学特性研究

采用数值模拟方法仿真分析了仿鲹科机器鱼在不同波动频率、波动幅度和初始相位差下的双体耦合波动推进动力学特性,重点研究了同相和反向波动时的阻力和升力系数。实验测试表明:双体机器鱼反相波动耦合推进速度比同相波动高,且游动更稳定。研究结果对仿生水下机器人的研制具有指导意义。     

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.     

小型可潜浮仿生机器鱼的设计

通过对仿生机器鱼的潜浮机理进行分析,提出了一种结构紧凑、成本较低的小型可潜浮仿生机器鱼的设计方案,并对其外形结构和推进机构进行结构设计,提供了直游、转弯和潜浮运动的实现方法,实现了小型仿生机器鱼的三维运动。     

司步带传动周转轮系机器鱼的设计与验证

介绍了一种用于拖曳试验的多关节机器鱼试验平台,用以研究鱼类尾鳍游动机制,提供功耗可测,且能够精确拟合亚绣科鱼类运动曲线的多关节机器鱼。根据生物学鳕鱼外形观测数据,同时采用伺服电机驱动同步带串联周转轮系传动的方式,使仿生机器鳕鱼在形态学和运动学上最大程度复现自然界鱼类游动方式。介绍了平台的机械结构及运动控制的实现,同时利用虚拟样机技术对机器鱼设计方案进行运动学验证以及动力学分析。结果表明机构设计合理,能够满足设计需求。     

一种仿生推进装置研究

基于对水母游动方式的研究及扩展,提出一种仿生推进装置,该装置以曲柄滑块机构驱动剪式单元串联机构,实现大行程直线往复运动的仿生推进.采用虚拟样机技术对仿生推进装置整体机构进行了建模和运动仿真,验证了机构设计的合理性和功能实现的正确性.在实验室环境下,设计和制作出了仿生推进装置试验样机并进行了试验.     

柔性机器鱼的仿生运动拟合控制研究

基于一种新型弹性钢片尾部的仿生机器鱼机构,结合鱼类的运动学模型以及弹性钢片受力变形特性,得出机器鱼尾部的运动控制模型。通过实验验证了该运动控制模型能逼真地模仿鱼类的游动姿态。     

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。     

三关节机械鱼的动力学及运动研究

针对仿生机械鱼水下运动控制问题,通过对鱼体外形和运动模式的研究,建立了仿生机械鱼的结构模型,将其简化为3根相连的连杆组成的连杆机构,进行了动力学分析,并对第3根连杆的水动力学运动规律进行了初步分析,发现机械鱼的游动阻力与鱼在水中的面积、摆动频率、连杆长度等因素有关,适当地选择3根连杆的质量和长度可以提高机械鱼的游动速度和加速度。根据"大摆幅细长体"理论获得舵机摆动角度,采用Matlab对鱼体游动和舵机摆动进行了仿真,并进行了实验研究。仿真结果和实验结果都表明:摆动频率越快,驱动动力就越大,但会使鱼体摆幅增大,进而影响游动速度以及运动的平稳性,存在一个合理的摆动频率范围使得游动速度达到最大。     

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。     

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。     

仿生机器鱼研究进展及发展趋势

随着海洋资源开发和利用的深入,仿生机器鱼已成为水下机器人研究的热点问题。文中介绍了仿生机器鱼的分类,分析了各类型的游动特点。对鱼类游动机理和仿生机器鱼的研究现状进行了综述,总结了仿生机器鱼研究的关键技术和未来发展趋势。