基于改进波动方程的MPF推进模式鲼类游动特性研究

胸鳍或中间鳍推进模式(medianand or paired fin propulsion,MPF)鲼类以其游动高效且稳定而成为越来越多仿生学者的研究对象.研究选取胸鳍为类三角形的鲼类进行仿生建模,针对其游动姿态与推进模式,改进波动方程建立双鳍对称运动模型,并运用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法结合动网格技术对其进行数值模拟,研究其推进机理与游动特点,在此基础上,通过改变胸鳍波动频率、波动幅值和体波波长等生物学特征探究不同参数对MPF推进模式鲼类游动能力的影响规律.研究结果表明:在胸鳍向上波动或向下波动阶段,胸鳍末端均存在明显的低压中心,大部分推进力主要由胸鳍末端的涡量差产生;向上和向下波动双鳍的过程中鱼体会产生周期性的升力,频率与摆幅更大时升力系数峰值更高.在相同初速度与相同鱼体初始运动状态下,鱼体在3 Hz与A=0.125L时垂向位移分别可达2.32和1.81 m,可获得最大垂向提升涨幅.体波波长决定鱼体胸鳍波动主要位置,当λ=0.6L即胸鳍波动主要位置靠近中性纵剖面时鱼体推进力系数均值仅有0.02,而当λ=1.05L即胸鳍波动主要位置靠近胸鳍末梢时鱼体具有较高的推进力,推进力系数均值可达0.14.本研究结果可以为基于MPF推进模式的仿生水下机器鱼提供设计与制作基础.

体内微型机器人的全方位旋进驱动特性

提出了一种由外旋转磁场驱动的体内微机器人.它以相邻径向异向磁化瓦状多磁极圆筒形NdFeB永磁体为外驱动器,以机器人内嵌同结构的NdFeB永磁体为内驱动器,外驱动器旋转时产生旋转磁场,通过磁机耦合作用于内嵌驱动器形成机器人驱动力矩,在本体外表面螺纹与流体动压力的作用下,实现机器人在管道内的在线旋进.在建立微机器人游动模型的基础上,以垂直管道为试验环境,研究了机器人的全方位驱动特性,试验结果表明机器人可以实现管道内全方位驱动.

仿生机器鱼运动学模型优化与实验

以仿生学为基础的机器鱼是一种新型水下机器人,具有高速、高效、节能等方面优势。为进一步探索仿生机器鱼的运动机理,指出了当前仿生机器鱼运动学模型存在的不足,即未考虑因制造、鱼体结构的影响,而产生的头部左右摆动。故在考虑仿生机器鱼头部摆动的情况下,构建头部摆动方程,引入摆动偏移量,修正其运动学模型。利用MATLAB对模型进行优化,分析结果表明修正后的运动学模型更能够描述实体仿生机器鱼的游动特性。最后,将修正后的运动学模型,运用到三关节仿生机器鱼上进行实验,结果表明,该模型能够有效地抑制仿生机器鱼头部摆动,进而提高了仿生机器鱼的游动速度。