水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制

本文介绍了自行研制的一条小型实验机器鱼 .该机器鱼作为研究仿生机器鱼的流体力学性能的实验平台 ,具有刚性头部、5关节的柔性身体和月牙形尾鳍 ,采用无线遥控 .机器鱼体长 890 mm,水中最大速度为 2 0 cm/s,最大转弯角速度为 12 0°/ s,最小转弯半径为 4 0 cm.综合性能测试实验和 C形运动控制实验表明 。

水下仿生机器鱼的研究进展III——水动力学实验研究

作为仿生推进技术研究的一个主要环节 ,仿生机器鱼平台的实验测试研究具有重要的意义 .本文建立了一套比较系统完整的机器鱼水动力学定性观察 ,定量测量的实验环境 ,并进行了速度功率参数影响测定实验、鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验 .

水下仿生机器鱼的研究进展IV——多仿生机器鱼协调控制研究

本文探讨了多仿生机器鱼群体游动协调的问题 ,这是仿生机器鱼技术研究的一个新的方向 ,目前尚无人涉足 .首先研制了一套具有高效、高机动性的微小型多机器鱼平台 ,提出了基于 AGENT的网格算法进行多机器鱼的定位和协调控制 ,利用该实验平台 ,进行了多机器鱼对抗和多机器鱼协调过孔的实验研究 .

智能材料在水下仿生机器人驱动中的应用综述

基于智能材料的柔性仿生水下机器人的研究是当今水下机器人研究的热点之一。智能材料驱动的水下仿生机器人具有微型化、柔性化、智能化、低噪声以及易于主动产生复杂运动等特点,其外形结构更加符合生物学特性,和传统驱动方式相比具有较大的优越性,近年来在水下机器人领域得到了较快的发展。本文对几种应用于水下机器人中常见的智能材料的驱动原理进行了比较,在此基础上介绍了国内外近年来利用上述几种智能材料作为驱动器研制的各种机器人。对机器人的外形结构和驱动模式作了简要介绍,重点对机器人驱动效率进行了分析和比较,分析了几种驱动材料性能的优劣。最后,指出了当前仿生水下机器人发展存在和需要解决的问题。

微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势

随着微型机电系统(MEMS)相关技术的发展,微小型水下仿生机器人已成为各国广泛研究的热点问题。综述了微小型水下仿生机器人的研究现状,讨论分析了微小型水下仿生机器人研究的关键问题和发展趋势。

水下仿生机器人CPG控制方法研究现状综述

高性能的运动控制方法是提高水下仿生机器人运动机动性和稳定性的关键,是制约水下仿生机器人发展的关键问题。介绍了中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)仿生控制方法的基本原理,综述了水下仿生机器人CPG控制方法的研究现状,总结了CPG控制方法的关键技术和发展趋势。

高机动水下仿生航行器研究现状

水下仿生航行器因其低能耗、高机动性、低噪声、隐蔽性强和对周围环境友好等特点,现已成为仿生领域热点研究之一。本文以水生生物的2种推进力产生方式为分类标准,对高机动水下仿生航行器的发展情况进行概述。从已有相关研究中遴选了12种机动性能表现较突出的仿生水下航行器平台,分别介绍其结构、外形以及实现方式。通过对比分析可以得知,推进方式和结构设计等直接影响游速、转向机动性以及俯仰机动性的表现,在实际应用中需针对性地进行选择。

基于智能驱动材料的水下仿生机器人发展综述

经过漫长的自然选择,水生生物已进化出独特的结构和运动模式,在水下生存具有得天独厚的优势。研究水生生物的运动方式并加以模仿,同时将智能驱动材料应用于水下仿生机器人的结构和运动设计是目前水下仿生机器人的研究热点之一。结合水生生物和智能驱动材料的优点,使得采用智能驱动材料设计的水下仿生机器人更易小型化、机动性更高,可进行连续柔性运动,从而实现在水下的复杂动作,相较传统驱动方式具有显著优势。文中介绍了几种典型水生生物的运动机理,比较了4种典型智能材料性能指标及其优缺点,在此基础上综述了现有3种模仿水生生物推进方式的采用智能驱动材料设计的水下仿生机器人及其结构主要特点,并对其运动效率进行了分析和比较,指出了未来水下仿生机器人的发展需要解决的一些关键问题。

水下仿生机器人集群节能关键技术综述

水下仿生机器人集群具有冗余性高、机动灵活、任务执行范围广等优势,可应用于水下环境信息收集、水下目标监测、资源勘探等领域。一直以来,能量消耗问题都是水下仿生机器人集群工程应用中重点关注的问题。大自然存在的生物集群运动现象启发了水下仿生机器人集群节能运动关键技术的研究,从水动力和集群控制角度,对水下仿生机器人集群节能关键技术的国内外研究现状进行了论述,涉及生物集群运动的节能机理、水下仿生机器人流场信息感知和集群协同控制,分析和总结了水下仿生机器人集群节能关键技术发展趋势。

基于余弦前馈的重复运动控制算法在水下仿生推进系统中的应用

常规比例-积分-微分(PID)控制算法在周期性正弦运动跟随上会产生幅值衰减和相位滞后,且负载越大其幅值衰减和相位滞后越严重,无法满足仿生推进运动的高精度跟随要求;针对周期性重复运动设计的重复控制器在受到外界扰动后,其产生的补偿输出量需滞后一个运动周期才能响应,无法适应水下变负载运行条件。基于此,文中针对某水下推进系统在变负载工况下对低频率正弦位置指令跟踪性能问题,在借鉴前馈控制思想的基础上,提出了余弦前馈补偿控制算法,与常规PID控制器一起,构成复合前馈控制来消除正弦跟随的幅值与相位误差,并进行了仿真与实验验证。仿真与实验结果表明,基于余弦前馈的重复运动控制算法较传统PID控制方法效果显著,在变负载工况下依然可以实现对给定正弦运动指令的精确跟随,相位差较补偿之前减小了60%左右。文中的研究可为实现仿生推进系统流畅精确的周期运动提供新的解决思路。

水下仿生机器人设计与实现

为解决大型舰船水下部分检修的难题,设计一台水下仿生机器人。利用SolidWorks软件建立仿生机器人的3D机械模型,设计其控制系统,并分析它在水下工作的力学特性。仿生机器人工作时,利用超声波、陀螺仪等传感器将检测到的水下环境参数转换为电信号,并实时将电信号发送到STM32控制器中;通过STM32控制器根据预设的算法对各种信号进行处理;通过STM32控制器发送命令,控制推进器、摄像头等执行元件,从而实现仿生机器人的自动运行。该仿生机器人运行稳定、反应灵敏,没有发生漏水和无法控制的情况,达到预期目标。

水下仿生机器人研究综述

随着海洋探索技术的不断发展,水下仿生机器人日益引起关注。针对水下仿生机器人的研究现状,文章从机械结构设计、材料应用和控制方法3个方面进行综述,并基于对水下仿生机器人的深入了解,对其未来的发展趋势进行分析。

基于幽灵蛸的仿生水下机器人设计

为解决传统水下机器人螺旋桨推进器体积大、容易被雷达探测、水草缠绕和推进效率低等问题。受生物幽灵蛸灵活性、平稳性运动的启发,根据生物幽灵蛸的外形特征和运动机理设计了一款水下机器人。该机器人由流线型头部,空腔外壳,双自由度水翼短鳍和喷射机构组成。通过短鳍的控制和喷射机构的推进,可以实现仿生幽灵蛸的前进、转向、俯仰等姿态调整动作。通过SolidWorks软件对装置进行了三维建模和仿真分析,验证结构设计的合理性,加工制作模型样机,最后通过水下实验,验证了所设计的仿生机器人具有高度灵活性、平稳性、低噪声等优点,可以作为水下侦察和环境监测的载体。

基于压电致动器的水下柔性推进结构振动特性研究

压电纤维(Macro Fiber Composite,MFC)致动器因其柔韧性好、致动力大、防水性能优异等特点越来越受到人们的关注,并在智能传感/致动、能量采集、水下仿生机器人等领域得到了广泛的应用。本文旨在研究MFC驱动水下柔性结构的振动特性与动力学响应。计算得到MFC致动器驱动力,根据莫里森半经验公式推导得到流体附加惯性力和附加阻尼力。基于欧拉-伯努利梁理论、假设模态法和第二类拉格朗日方程,建立MFC致动的水下柔性结构耦合非线性动力学模型,采用谐波平衡法将非线性阻尼线性化。数值仿真和实验结果表明:粘贴了MFC致动器的柔性梁结构局部刚度增大,实测模态振型与仿真模态振型基本一致;受周围流体水动力的影响,MFC致动悬臂梁水下前两阶共振频率与动态响应下降明显;模型预测的幅频响应曲线与实测曲线吻合较好,证实了所建耦合动力学模型的有效性。本研究可为基于智能材料的水下仿生推进装置提供参考。

机械胸鳍式仿生水下机器人的动力学特性研究

对新近研制的仿生水下机器人Robo-Mackerel,建立其在胸鳍摆动模式下游动的物理模型,并给出机械胸鳍摆动的运动方程。利用库达-儒柯夫斯基定律和二维叶素理论,分析Robo-Mackerel巡游时受到的流体作用力。通过动力学仿真,计算Robo-Mackerel的游速、推进力、瞬时功率和平均效率等水下推进性能指标。为有效地提高Robo-Mack-erel的水下推进性能,分析讨论了机械胸鳍摆动各运动学参数和上述指标的关系,并提出各运动学参数的最优值。

仿生水下机器人传动机构的设计与仿真

参照鱼类的外形特点对仿生水下机器人进行了设计和建模,同时根据鱼类推进鳍的特点研发出一种全新、节能、高效的推进装置;运用具有急回运动特性的曲柄摇杆机构将舵机的连续转动转换为推进鳍的前后摆动;结合现代虚拟样机设计技术进行本仿生水下机器人的设计研发:利用Matlab技术对曲柄摇杆机构进行优化分析和设计,运用Adams对曲柄摇杆机构进行运动分析,同时验证了基于Matlab优化设计的结果;目前,已经将仿生水下机器人加工组装完毕,同时完成了下水试验,证实了前期设计的合理性。

形状记忆合金在仿生水下泳动机器人中的应用

形状记忆合金具备功重比高、应变大、动作无声等特点,近些年来作为致动器在水下机器人领域有着广泛的应用。结合水下泳动型生物的分类和游动特点,介绍了国内外利用形状记忆合金研制的各种仿生水下机器人,并对其结构设计、驱动控制和推进性能进行分析;最后总结了当前形状记忆合金驱动的仿生水下机器人的不足,提出了今后研究需解决的问题。

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。

仿生水下机器人三维力测试系统研究

针对微小型仿生水下机器人的流体动力学测量,研制了一种新型的三维力测试系统。在分析微小流体力测试系统功能需求的基础上,设计了基于S型拉压力传感器的测试系统机械结构和信号处理系统。分析了该测试系统存在的主要误差源,建立了系统误差模型,通过实验方法对误差模型进行了标定和补偿,数据测试结果表明补偿后的测量精度误差<0.9%。该三维流体力测试系统为仿生水下机器人的流体力学实验研究提供了一种重要测量装置。

基于增强学习控制器的仿生水下机器人姿态镇定研究

仿生水下机器人是水下机器人领域的一个重要研究方向;利用增强学习控制器对仿生水下机器人的姿态镇定问题进行了研究;增强学习控制器主要由回报函数、学习样本数据库、神经网络、动作选择以及Q学习算法等模块构成,可通过直接与环境交互生成最优动作选择策略;镇定仿生水下机器人的偏航角姿态镇定的仿真试验表明,增强学习控制器在偏航角姿态镇定方面的性能较为理想;学习样本数据库的引入显著提升了增强学习控制器的姿态镇定性能;学习样本数据库的容量对学习性能存在较大影响。