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。     

基于SMA柔性驱动器的机器鱼设计与试验

设计了一款基于形状记忆合金丝(SMA)柔性驱动的机器鱼,详细阐述了柔性驱动器和机器鱼的结构设计和制作工艺,同时设计制作了驱动器和机器鱼的电控系统。柔性驱动器可实现双向弯曲运动,驱动器每一侧布置4路可独立控制的SMA丝,通过选择不同加热路数,可实现机器鱼四级摆动幅度的较精确控制。针对SMA存在的热积累问题,结合柔性驱动器自身的特点,提出了一种轮询加热控制策略,并试验比较了驱动器摆动幅度和摆动频率对机器鱼直线游动行为的影响。试验结果表明,柔性驱动器的摆动幅度越大,机器鱼游速越快;在无SMA热积累的影响下,驱动器的摆动频率越快,机器鱼游速也越快;轮询加热控制策略可有效提高机器鱼的极限摆动频率,获得的最大游速为102mm/s。     

基于液压驱动的仿生推进器设计及运动学分析

MPF推进模式鱼类的高效、低扰动游动特性,逐渐受到水下机器人研究者的广泛关注。以"尼罗河魔鬼"鱼的柔性长背鳍为仿生对象,设计了一种液压驱动的模拟柔性长背鳍波动运动的仿生推进器。详细介绍了该仿生推进器的结构和工作原理,并建立了相应的运动学模型。在MAT-LAB中,根据运动学模型分析了鳍条高度、鳍面基线的不同组合下鳍面的运动效果。初步开展了该仿生推进器试验装置的试验。计算仿真和试验结果表明:液压驱动的仿生推进器运行流畅、结构和运动参数调整有效,完全可以模拟仿生对象的运动。     

一种摆动式柔性关节的遥控仿生机器鱼

该文提出一种波壳伸缩式摆动式柔性关节 ,突出了由弯曲关节构成的仿生机器鱼的设计。此关节采用板弹簧为柔性骨架 ,波壳弹性体受气压后轴向膨胀作为肌肉动力。文中给出了柔性关节的简单结构、仿生机器鱼的基本构造、接受与控制系统的硬件组成以及驱动系统的原理     

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。     

可调谐半导体激光器压电驱动系统的优化设计

针对可调谐半导体激光器中普遍存在的输出光频率无跳模调谐范围小、扫描频率低、结构复杂等亟待解决的问题,研究了可调谐半导体激光器内部压电驱动系统的动力学特性。基于提高回转精度、降低轴心偏移量的设计目标,提出了一种多叶片并联的星型柔性机构结构。基于Lagrange方程和Duhamel积分,分别建立了压电驱动系统的运动微分方程和振动方程,在此基础上建立了柔性机构的动力学模型并对其结构参数进行了优化。最后,搭建了压电驱动系统动态特性测试平台,测试了压电驱动系统的机械响应特性以及可调谐半导体激光器的输出光可调谐范围。实验结果表明,压电驱动系统一阶固有频率为2187 Hz,柔性机构最大轴心偏移量为0.947 mm。在可调谐半导体激光器无跳模调谐性能测试中,当调谐频率为20 Hz时,实现了103.5 GHz的无跳模调谐范围。     

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。     

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.     

气动式仿生机器鱼的设计与研究

仿生机器鱼已广泛应用于海洋领域,在探测水中污染物,绘制河水3D污染图等方面有着重要作用。但传统的仿生机器鱼一般采用电动马达驱动为主,也有记忆合金驱动式的。文中设计了一种气体驱动式的仿生鱼,我们从生物鱼游动的特性以及其鱼体各部位的作用汲取灵感,同时又针对传统设计带来的噪声、易被发现等问题,设计了靠气体驱动为主的仿生机器鱼。通过碳酸钙在热作用下产生的二氧化碳作为气体驱动,除了主排气管外还有辅排气管。该仿生机器鱼具有噪声小、易于隐蔽和伪装等功能,且利用太阳能和水体的压力进行自发电,从而减小对外界电能的依赖,提高续航的能力。     

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。     

6自由度索并联机构的振动特性

6自由度索并联机构可以实现空间大范围的6自由度运动,在装配、对接和定位等应用中具有较大的优势.针对柔性绳索容易引起系统振动的特点,对6自由度索并联机构的振动特性进行分析.利用Newton-Euler方法建立系统的动力学模型,对动力学方程线性化获得系统的振动方程.在此基础上,得出各阶固有频率的分布情况,并分析一阶固有频率对结构参数的灵敏度特性.通过绳索受力频谱分析试验,获得6自由度索并联机构试验平台的一阶和二阶固有频率.试验结果与理论计算值接近,验证了所提方法的正确性.     

两栖仿生机器鱼机构设计及初步运动仿真

对国内外机器鱼的研究现状及研究成果进行分析,设计出四关节结构且可两栖行走的仿生机器鱼,对工作原理、关节结构设计及两栖行走装置设计详细介绍,简述其可完成的动作,依据机械控制的基础理论建立简单串联模型,并给出机器鱼两个运动方案,进行运动学的初步仿真,最终总结两栖仿生机器鱼的运动仿真结果。     

柔性空间扑翼机构的刚柔耦合动力特性分析

针对目前扑翼驱动机构无法以简单结构实现复杂仿生运动问题,由空间四杆机构出发,引入柔性杆件设计思路,设计了一种柔性空间扑翼驱动机构。在单驱动条件下,实现了翅翼的扑动-扭转-挥摆耦合运动。建立了机构的运动学和气动力计算模型,求解了机构在运动过程中扑动角、扭转角、挥摆角以及翅翼所受的气动力变化。根据机构特性,在Adams中建立了考虑动力学特性与机构强度的刚柔耦合模型,分析了机构的运动轨迹、运动特性及柔性杆件的应力变化情况。结果表明,该驱动机构具有运动对称性与稳定性,翅翼实现了扑动-扭转-挥摆的耦合仿生运动,同时又满足了柔性机构的强度设计要求。     

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。     

柔性机械臂结构-控制耦合特征的实验研究

利用柔性机械臂主动控制实验装置以及相应的动力学参数测试系统 ,采用光电编码器、加速度计和应变片分别检测柔性臂的大范围运动、末端振动及驱动力矩 ,对柔性机械臂结构 -控制耦合特性进行了研究。实验结果发现 :1)由于结构与控制系统的耦合 ,改变了柔性机械臂的第一阶振动频率 ;2 )在实现规定运动时 ,不同结构的柔性机械臂的驱动力矩形式明显不同 ;3)柔性机械臂的驱动力矩具有随伺服驱动系统工频的脉动现象。验证了柔性机械臂结构与控制系统之间存在相互作用 ;指出采取结构 -控制一体化设计方法是提高柔性机械臂性能的一个重要手段。     

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。     

基于改进量子进化算法的仿生机器鱼渐变可靠性优化设计

为提高仿生机器鱼的工作可靠性,提出一种应用于仿生机器鱼的渐变可靠性稳健优化设计方法。以仿生虎鲸为研究对象,基于扑翼运动理论,利用Matlab得到了仿生虎鲸的动态载荷。基于可靠性灵敏度设计理论和稳健设计理论,构建了优化设计状态函数,得到了仿生虎鲸尾鳍推进系统对其渐变可靠性灵敏度的影响。利用改进量子进化算法进行优化设计,得到了尾鳍推进机构的最优解,结果表明,设计变量的灵敏度的绝对值均有降低,可靠度得到提高,结构更加稳健。将扑翼运动理论、可靠性灵敏度设计理论、可靠性稳健设计理论、性能退化理论和改进量子进化算法相结合,提出一种应用于仿生机器鱼的渐变可靠性稳健优化设计方法,为仿生机器鱼的可靠性分析与设计提供理论方法和数据支撑。     

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。     

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。     

仿尾鳍压电双晶片无阀泵的模拟与试验

通过模仿金枪鱼的鱼体结构,将泵振子的摆动端设计成柔性小翼,使得振子摆动更接近于真实鱼尾的摆动.数值计算及激光扫频试验表明,压电层合结构悬臂梁的1阶振型机电转换效果最差,2阶和3阶的均能获得较好的机电转换效果.分析了振子在水中振动的固有频率和振型,并通过激光多普勒测振仪对振子的振动做了测振试验,数值计算得到的振型和激光扫频试验结果相一致.2阶和3阶的固有频率仿真结果和激光扫频结果分别相差1.6%和0.3%.研制了泵的样机并测量了激励电压在60V时泵的流量.振子工作在2阶振型时,谐振频率为740Hz,泵的流量为266mL/min.振子工作在3阶振型时,谐振频率为1280Hz,泵的流量为105mL/min.在相同电压激励下,泵的最大流量较同类型泵提高了160%.