轨迹可控的微型水母机器人研制

为解决微型机器人在较小机身尺寸下实现高效轨迹控制的难题,设计并研制了微型仿水母机器人JRT,其由气室、重心调整机构和仿水母推进器三部分组成,尺寸仅为6.8 cm×5.3 cm,可通过重心调整机构和仿水母推进器协同控制有效实现水下轨迹可控.水下实验验证了机器人JRT沿竖直方向游泳和悬停、水平定向游泳以及水平弹射功能,并通过对机器人JRT沿竖直方向和水平方向游泳过程中的力平衡关系和运动状态数据分析提出了轨迹控制方案,测得水平定向游泳的速度可达到1.7 cm/s,轨迹偏差为0~3.4 cm,展现了微型仿水母机器人JRT较好的轨迹控制能力,可见其在水下资源勘查、环境监测等领域的应用潜力.

基于凸轮传动的仿生水母机器人设计

在目前已有的仿生水母机器人研究中,针对机器人在体积、应急能力、运动性能等方面的研究相对较少。为对上述方面展开进一步研究,设计一种仿生水母机器人。该仿生水母机器人使用凸轮作为动力传输的主要零件,依靠仿生触手挤压水流产生推力,提高了仿生水母机器人的运动性能。同时内部传动结构依靠单一凸轮进行传动,减小了仿生水母机器人的体积,使得机器人具备更多空间搭载附加单元。附加单元包括分离脱落结构与气囊等,可增强机器人面对复杂水下情况的应急能力。建立仿生水母机器人舒张与收缩的时间函数,输入相应设计参数后得到时间的理论计算值。最后制作仿生水母机器人样机测量其体积的大小,进行空载实验及水下实验,以验证所设计的仿生水母机器人体积更小且具备应急能力和更好的运动性能。

仿生机械水母设计与分析

设计了一种纯机械式的仿生机械水母,由储能触发装置提供初始启动力驱动曲柄转动从而带动法兰盘上下往复运动,进而带动仿生触手撑杆做伸缩运动,驱动4组扑水柔性片动作,实现吸水和排水。吸入的水推动水轮机叶片转动,以此实现机械水母的吸排水动作。利用SoildWorks完成了仿生机械水母的方案设计、三维建模与装配,理论计算确定了在水中仿生触手撑杆推开水所需要的力以及曲柄滑块机构、带传动等的设计参数。

形状记忆合金丝驱动的触手推进式仿生水母

为研制一种高效自主游动的新型水下机器人,受水母的身体特征和鱼尾的推进模式的启发,利用智能材料———形状记忆合金丝(shape memory alloy,SMA)模拟肌肉纤维作为驱动材料,在对水母整体结构进行仿生改造,并对其运动策略进行分析的基础上,研制了一种由6个仿生触手推进器驱动的仿生机器水母原理样机.该机器人总长230 mm,直径110 mm,总质量590 g,自带能源动力,在无线遥控下能达到115 mm/s的直线游动速度和18°/s的转弯速度.实验结果表明:该仿生水下机器人结构、密封简单,机动性强,能够无声推进,并具有生物友好性等优点,验证了形状记忆合金丝做仿生肌肉材料的可行性.

SMA丝驱动的仿生水母伞体推进器设计

以水母为研究对象,模仿其喷水推进方式,设计了SMA丝驱动的仿生伞体喷水推进器。首先研究了水母的形态特征、运动方式及肌肉结构,建立了水母伞体的动作特征和推进力的数学模型。其次对水母伞体的肌肉结构进行了模块化设计,研制了SMA丝驱动的动作单元,并对其驱动特性进行了实验研究。最后设计了6个内嵌式动作单元驱动的仿生水母伞体推进器,利用流体动力学手段对其进行了仿真研究,并在设计硅胶模具的基础上完成了原理样机的制作。

一种仿生推进装置研究

基于对水母游动方式的研究及扩展,提出一种仿生推进装置,该装置以曲柄滑块机构驱动剪式单元串联机构,实现大行程直线往复运动的仿生推进。采用虚拟样机技术对仿生推进装置整体机构进行了建模和运动仿真,验证了机构设计的合理性和功能实现的正确性。在实验室环境下,设计和制作出了仿生推进装置试验样机并进行了试验。

光学小卫星仿水母构型轻量化结构研究

为了实现卫星结构轻量化,利用仿生设计的方法仿照海月水母的形态对光学小卫星进行构型设计并对结构进行优化,通过改变传力路径实现对结构性能的充分利用。首先,从海月水母的形态中提取了数学模型,公式推导出曲线在动载作用下刚度的变化情况;然后,依照所得数学模型对卫星结构进行了布局设计;最后,用灵敏度分析法分析了基频对壳体各部分厚度的敏感程度,以横向一阶频率不低于35 Hz为优化目标对壳体厚度进行了迭代。结果显示壳体的最佳厚度为0.1 mm,此时卫星主承力结构质量占整星质量的4.9%,因此,仿水母构型可为同类光学小卫星设计提供参考。

基于Arduino平台的仿水母机器人设计

该文采用仿水母推进机制结构,针对水下探测的实际情况,提出了一种使用凸轮直线推杆驱动器形成水压进行喷射运动的仿水母机器人。它与目前常用的形状记忆合金SMA直线推杆驱动器仿水母机器人相比较,具有结构简单、灵活性操作、传动效率高、成本低等特性。所设计的仿水母机器人在控制系统方面进行了大幅度改进,采用Arduino平台控制系统,添加了位姿获取及控制模块、蓝牙传输模块、自救模块、探测模块。该新型结构仿水母机器人对水下机器人行业的开发具有一定参考价值。

基于仿生水母机器人的机械臂设计与仿真分析

为满足海洋探索及水下侦察的任务需求,设计一种多自由度仿生水母机器人。在Matlab分析软件中利用Robotic Toolbox建立水母机械臂模型,进行运动仿真,分析其运动学和动力学,得出角速度、角加速度等曲线。依据反推出的力矩曲线,对导入到Adams中的3维模型进行驱动仿真,采用Jtraj函数对四自由度仿生水母机器人的机械臂进行5次多项式轨迹规划,并构建一个简单的BP神经网络控制算法。仿真结果表明:各运动曲线连续、平缓无突变,可满足实际需求。

基于海月水母的微小卫星结构力学特性分析

旨在突破卫星结构设计思维局限,提高卫星一体化程度,降低结构质量占比。试图从生物形态和功能中获取微小卫星结构设计灵感,发现了海月水母与卫星结构有类似的边界条件和重力缓释过程。从海月水母的生物形态中提取了其形态的数学模型,提出了一种新型的卫星构型方案。建立了整星结构力学模型。卫星总重50.4kg,结构质量为4.5kg,结构质量占比8.93%。用有限元软件对模型进行了力学特性分析。仿真结果表明:整星基频为63.5Hz,正弦响应和随机响应满足预期要求。因此,说明上述构型可在保证力学特性情况下使卫星结构质量占比保持较低水平。

仿生设计在张拉整体结构仿生水母推进器中的应用

仿生设计是工业设计中重要的创新手段和研究方法,文章首先对仿生设计进行概述,以张拉整体结构仿生水母推进器为研究对象,从形态仿生、功能仿生和结构仿生三个方面阐述了仿生设计在张拉整体结构仿生水母推进器整中的应用,为仿生水母推进器的创造设计提供了新的灵感,不仅能够有效增加推进器的外形美感,还可以对其内部结构进行完善,满足推进器设计研究的相关要求,保障推进器的水下推动力,降低能源的消耗,从而维护海洋的良好生态环境,符合绿色设计的标准。

一种矿井水害监测用仿生水母机器人的结构设计

为提高矿井水害监测与预警的安全性,提出了一种具有自适应系统的仿生水母机器人,机器人的结构以其功能类型分为驱动动力装置区、发电装置区、顶部控制系统站。多层级结构分布是保证其在大范围、多区域的游弋巡航,自适应控制系统是保证其在处理多复杂环境时通信、巡航、返航等功能实现。可为矿井水害监测与预警提供一种新思路。