超磁致伸缩薄膜驱动仿生游动微型机器人

研制了以超磁致伸缩薄膜为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是以超磁致伸缩薄膜驱动器为尾鳍,通过改变时变振荡磁场的驱动频率,在超磁致伸缩薄膜的磁机耦合作用下,将时变振荡磁场能转换成驱动器的振动机械能,振动的超磁致伸缩薄膜驱动器再与液体耦合,便产生了机器人的推力.由于超磁致伸缩薄膜为非接触式驱动,因此机器人不需要电缆驱动.基于仿生游动原理,提出一种计算推力的数学模型,以建立的超磁致伸缩薄膜受迫振动模型的前三阶谐振频率模态为尾鳍的摆动,对振动薄膜产生的推力进行了计算.实验验证了理论分析的正确性,表明仿生游动微型机器人的方案切实可行.

超磁致伸缩薄膜尾鳍机器鱼的仿生游动机理

根据仿生学原理,采用超磁致伸缩薄膜驱动器模仿鱼类的波状推进方式,可以实现机器人的无缆驱动,并能显著提高机器人的可靠性与实用性。为了提高推进力,进而提高驱动效率,实现机器人尾鳍形状优化是关键。基于等面积条件,优选了几种薄膜尾鳍形状,在建立悬臂梁结构变断面超磁致伸缩薄膜受迫振动动态模型和机器人推力模型的基础上,对不同形状薄膜尾鳍的推力进行了仿真验证,得出了最佳尾鳍形状曲线,并用有限元法分析了薄膜驱动器的应力分布,最后通过试验验证了薄膜驱动器的推进效果。

外场驱动无缆微机器人的仿生游动特性

研制了以NdFeB为驱动器的仿生游动微型机器人,其作业原理是通过改变时变振荡磁场的驱动频率,媒介于嵌入机器人头部NdFeB的磁机耦合作用,将时变振荡磁场能转换成机器人头部摆动的机械能,再带动铜薄膜尾鳍产生波动并与液体耦合产生推力。由于NdFeB为非接触式驱动,因此机器人的驱动不需要电缆。基于固定端摆动悬臂梁模型,建立了机器人尾鳍受迫振动波动方程和基于仿生游动原理的推力计算模型,以尾鳍波动的前三阶谐振模态为输入对其产生的推力进行了计算,得出了尾鳍各阶谐振模态与推力的关系,试验验证了理论分析的正确性,表明无缆驱动控制仿生游动微型机器人的方案切实可行。

基于浸没边界法的壁面凸起对仿生鱼游动影响的研究

流体流经壁面凸起后在壁面凸起的后方产生周期性脱落的尾涡,尾涡内流场复杂。当尾涡继续流动流经游动中的仿生鱼时,仿生鱼的水动力系数也随之发生剧烈变化。基于多重直接力浸没边界法,结合狄拉克函数,通过求解不可压缩Navier-Stokes(N-S)无量纲方程,对低雷诺数情况下的仿生鱼游动过程进行无量纲化数值模拟研究。为了验证算法和自主开发程序的准确性,对圆柱绕流和NACA0012外形鱼体游动流场进行了验证算例计算,计算结果与文献结果吻合较好,验证了算法和程序的有效性。在此基础上,研究固壁半圆形凸起对仿生鱼游动水动力系数的影响,计算结果表明:当仿生鱼距壁面较近时(d=0.25L),仿生鱼受到远离壁面方向的侧向力和顺时针方向力矩;当仿生鱼距壁面较远时(d=1.25L),仿生鱼受到指向壁面的侧向力和逆时针方向力矩。总体而言,壁面凸起使得仿生鱼更容易在与壁面有一定距离的高度区间内游动,壁面凸起对仿生鱼游动起到了一定减阻作用。

仿鞭毛菌游动的微型机器人近壁运动

鞭毛菌及模仿其运行的微机器人在靠近壁面游动时,其运动模式与远离壁面时有所不同。针对这一现象,本文利用抗力理论和Stokes方程的线性性质,对鞭毛菌在壁面附近运动时流体对其施加的作用力进行分析,建立了鞭毛菌近壁运动的动力学模型。同时计算了细菌在平行于壁面平面内的运动轨迹与游动速度,并与实验数据进行对比分析,结果验证了该理论模型的有效性。在此基础上,探讨了鞭毛尾的几何和运动学参数与细菌的速度变化量之间的关系。本文研究为微型仿生游动机器人运动控制时规避近壁效应提供参考依据。

泳动式微型管道机器人的设计及运动分析

以NdFeB磁铁为驱动器设计了仿生游动微型机器人。其作业原理是通过改变时变振荡磁场的驱动频率,控制嵌入机器人头部NdFeB的运动,时变振荡磁场能转换成机器人头部摆动的机械能带动铜薄膜尾翼产生波动,进而与液体耦合产生推力控制机器人运动。最后分析了尾翼的频率方程和振型函数新的解析表达式。

微机器鱼尾鳍形状的结构优化

无缆驱动机器鱼是通过改变交变磁场的驱动频率,驱动嵌入机器鱼头部的NdFeB磁驱动器,将交变磁场能转换为机器鱼头部摆动的机械能,带动铜薄膜尾鳍产生波动并与液体耦合产生推力.在建立了悬臂梁结构变截面薄膜受迫振动动态模型和机器鱼推力模型的基础上,基于等面积条件,采用离散变量法对尾鳍的形状进行了优化,并结合有限元软件校验尾鳍根部强度,确定了最佳尾鳍形状.试验证明了该结构优化方法的正确性.