展向刚度对拍动式仿生胸鳍水动力性能影响的实验研究

[目的]旨在研究拍动式胸鳍沿翼展方向结构设计刚度对其水动力性能的影响。[方法]提出一种柔性仿生胸鳍的非均匀展向刚度设计方法。通过搭建的胸鳍水动力性能实验平台,测试0.3~1.0 Hz驱动频率下不同展向刚度仿生胸鳍拍动时产生的平均推进力与平均侧向力,并结合高速摄像机采集的胸鳍运动图像序列,分析仿生胸鳍展向变形对其产生推进力的影响。[结果]实验结果表明,在测试的拍动频率范围内,柔性仿生胸鳍产生的平均推进力及平均侧向力均与鳍条的展向刚度大小及分布情况相关。通过优化机器鱼样机(XJmanta)柔性仿生胸鳍的展向刚度可使其最大游动速度提升约45%。[结论]研究成果可用于指导拍动式柔性仿生胸鳍的设计,优化胸鳍输出水动力性能,提升仿生机器鱼本体游动时的机动性。

水下机器人仿生胸鳍设计研究进展

水下机器人仿生胸鳍驱动器凭借其独特优势被广泛应用于海洋探索领域,但针对其研究现状进行系统性研究较为欠缺。采用Citespace软件从发文趋势、研究内容及关键词等方面对系统梳理后的水下机器人仿生胸鳍相关文献进行分析,总结了水下机器人仿生胸鳍造型设计、结构设计及运动控制3个热点研究方向;归纳出面向造型设计领域的具象模拟、抽象概括及参数优化方法,面向结构设计领域的结构仿生、模块化及模拟优化方法,以及面向运动控制领域的仿真模拟及样机试验方法。研究表明:仿生胸鳍在稳定性和机动性方面有一定优势,未来研究重点应为仿生原型、新能源及智能化等方向,为针对水下机器人进行创新型驱动方式的拓展研究及系统开发提供理论指导。

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。

咽颌模式仿生胸鳍的设计与实现

在深入分析咽颌运动模式鱼类胸鳍的肌肉和骨骼结构以及神经肌肉控制机理的基础上,采用欠驱动技术设计了一套新型的胸鳍仿生机构,介绍了此仿生机构各部分的结构、功能及参数.然后,为此胸鳍仿生机构设计了一套基于CAN总线的分布式实时测控系统,并详细分析了其软硬件的结构和功能.最后,建立了胸鳍仿生系统的样机,并通过试验验证了本文建立的胸鳍仿生系统在模拟鱼类胸鳍推进运动方面的可行性和有效性.

水下仿生柔性胸鳍摆动水动力特性试验研究

为了掌握仿生柔性胸鳍动态摆动过程真实的水动力特性,研制了仿生多鳍条的柔性胸鳍模型及驱动控制系统,首次采用拖曳水池测力试验的方法对仿生柔性胸鳍摆动过程受力进行了测试,获得了柔性胸鳍在不同运动参数的受力数据,掌握了频率、摆幅、相位差等对仿生胸鳍模型受力的影响规律。试验结果表明:胸鳍摆动频率越大、摆幅越大,胸鳍产生的推力、侧向力和转动力矩越大;胸鳍鳍条间的相位差越小,胸鳍产生的推力、侧向力和转动力矩越大;柔性胸鳍不规则形变导致推力峰值不对称。

仿生魟鱼环形胸鳍波动推进的流场仿真

针对自主设计的仿生魟鱼水下机器人环形胸鳍波动推进过程进行了流场仿真研究。基于魟鱼前进运动时的胸鳍波动特征,建立了仿生环形胸鳍三维波动运动模型。利用CFD对胸鳍波动推进过程进行数值计算,分析了波动胸鳍产生的拉力以及前向运动的速度等推进性能。研究了周期波动过程中鳍面的周向压力分布,进行鳍面附近核心涡以及切面二维涡分量的计算,分析了涡的产生、发展以及尾迹涡的相关特性。结果表明,稳定后的拉力系数以近似正弦波形式进行波动,鳍面波动前后缘分布的高压和低压区域随波动沿周向从前往后传播,环形波动长鳍最终在尾迹处形成卡门涡,流场分析为仿生魟鱼水下机器人的运动控制及性能优化提供理论基础。

形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计

研究了一种采用鳐科模式游动、柔性胸鳍摆动方式推进的形状记忆合金(SMA)丝驱动型仿生蝠鲼机器鱼.首先,对双吻前口蝠鲼游动动作进行了分析,建立了蝠鲼胸鳍柔性摆动的简化运动模型.然后对能够模仿蝠鲼肌肉动作的智能材料进行了分析.最后设计了SMA丝驱动的柔性仿生胸鳍和仿生蝠鲼机器鱼,并分析了SMA丝的热力学特性,确定了控制规律.该机器鱼外形与双吻前口蝠鲼外形相似,身体呈现扁平形状,有一对三角形的柔性仿生胸鳍,直线游动速度达到79mm/s,最小转弯半径为118mm.该机器鱼游动稳定性好,无噪声.