仿生蝠鲼机器鱼BH-RAY3的研制及水力实验

通过对蝠鲼外形参数的设计和胸鳍变形机理的研究,研制了仿生蝠鲼机器鱼BH-RAY3。该机器鱼具有双柔性胸鳍,翼展620 mm,身长400 mm,最大航速1.09 DLS,外形阻力小,通过尾舵实现升降及转向。对BH-RAY3进行的水洞拖拽实验表明,随着拍动频率和幅度的增大,胸鳍推进力增大,在频率为1.0 Hz,幅度为24°时达到1.452 N;其次,对胸鳍被动变形形态的分析表明,柔性胸鳍同时产生0.25波长的弦向波和1个波长的展向波,与蝠鲼短波长、低频率的运动特点一致,验证了设计的合理性和可行性。     

基于柔性鳍单元的尾鳍推进微型机器鱼设计研究

论述了一种微型机器鱼.首先对亚鲹科、鲹科和鳐科模式游动动作进行了简化和抽象,确定柔性弯曲是这三种模式的一种简化的游动动作.然后从乌贼鳍的肌肉性静水骨骼鳍的结构得出灵感,提出并研制了能够实现柔性弯曲的柔性鳍单元;它应用动物弹性机制,由形状记忆合金（shape memory alloy,简称SMA）丝驱动.再对SMA丝进行了热力学分析,从而优化其驱动.最后,基于柔性鳍单元,设计了无线遥控的尾鳍推进微型机器鱼,并进行了游动试验;实现了亚鲹科和鲹科模式游动动作.该机器鱼无任何转动、滑动部件,能够实现快速、安静的隐蔽性游动.     

胸鳍摆动推进仿生鱼的设计及水动力实验

为实现胸鳍摆动推进模式鱼类的游动,模仿牛鼻鲼构建了仿生鱼.首先,基于摆动胸鳍的生物学特征和运动规律,提出了具有主/被动复合柔性变形能力的仿生胸鳍原理模型.然后通过ADAMS运动学仿真验证了设计方案的可行性,并构建仿生样机.自由游动实验表明,仿生鱼游速可达0.46m/s,约1倍身长比,且具有原地转弯能力,最大转弯速度达60?/s.与国内外其他同类机器鱼相比,在游速和机动性方面均表现出明显的优势.基于准稳态叶素理论,提出了仿生胸鳍水动力简化计算模型.构建水动力实验平台,验证了计算模型的有效性,并通过一系列水动力实验研究了仿生胸鳍的水动力特性.实验结果表明,仿生胸鳍能够产生周期性变化的推、升力,且变化趋势与胸鳍运动控制参数密切相关.     

一种2自由度胸鳍推进机构设计与动力学分析

以箱鲀为仿生对象,设计了一种两侧胸鳍对称布置,单侧2自由度胸鳍能够实现摇翼运动、前后拍翼运动以及两者复合运动的仿生机器鱼,建立了其利用"划水模式"推进的水动力学模型,通过数值方法给出了胸鳍摆动周期、幅值以及初始角的变化与直线游动速度之间的关系,实验结果验证了其有效性.在此基础上,确定了所设计仿生机器鱼采用"划水模式"推进时的直线游动模态.研究结果表明,胸鳍"划水模式"推进的仿生机器鱼具有较高的效率和运动速度.     

胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析

作为一种新颖的应用于仿生机器鱼制作的推进模式,胸鳍摆动推进模式因其具有的独特优势而引起国内外科研人员的重视。本文系统介绍了国内外采用摆动胸鳍推进的仿生鱼的研究现状,重点分析了此类仿生鱼样机的结构特征和推进性能。通过对现有研究成果的分析,得出了胸鳍摆动推进式仿生的研究发展趋势。     

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。     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上，设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构，介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模，并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程，对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析，建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性，为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．     

基于微舵机控制的仿生鱼设计与实验分析

设计了微舵机控制的仿生鱼,结合鱼胸鳍和鱼尾鳍的配合动作,完成一系列的游弋动作。其中根据鱼类"波动推进理论"的游动机理,实现仿生鱼的前进、转弯运动;根据鱼类"胸鳍法理论"实现上浮、下潜运动;提出加减速游动方案,通过修改X值的方法,实现仿生鱼的加减速游。组装并进行水上模拟实验和水下实际实验,调试仿生鱼的各动作协调性,分析仿生鱼在水中的静态平衡和动态平衡问题。     

一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼设计与实现

首先研究了牛鼻鲼的形态学特点,对牛鼻鲼的运动学特性进行了观测,并进行了运动学建模;然后基于“结构相似”的原理,研制出一种新型的胸鳍摆动模式推进机器鱼——“牛鼻鲼—I”．该机器鱼被设计成扁平形,由主体和胸鳍两部分组成,无尾鞭,主体为刚性,三角形胸鳍为弹性．整个机器鱼总质量为1kg,弦长300mm,最大展宽为500mm．机器鱼通过8个左右对称的伺服电机按照一定的相位差驱动刚性鳍条,在胸鳍上实现了0.4个波长的正弦推进波．在水箱实验中,当左右胸鳍同向运动时,机器鱼达到了0.13m/s的前进速度和0.15m/s的后退速度;当左右胸鳍反向运动时,机器鱼在约8s内完成了原地360转弯,表现出优良的机动性．     

胸鳍推进型机器鱼的CPG 控制及实现

结合仿生游动机理,针对胸鳍推进型机器鱼提出了一种基于中枢模式发生器（CPG）的运动控制方法． 该模型采用一类振荡频率和幅值可以独立控制的非线性微分方程作为其神经元振荡器模型,通过最近相邻耦合的方 式,对n 个这样的神经元振荡器进行耦合,构建了仿生机器鱼的CPG 网络模型．证明了此模型单个神经元振荡器的 极限环的存在性、唯一性及稳定性．在此基础上,通过对胸鳍推进的运动学分析,导出机器人直游、倒游、胸鳍—尾 鳍协调运动等多种模式的运动控制方法．仿真及实验结果验证了此中枢模式发生器模型的可行性与所提控制方法的 有效性．     

3-D Locomotion control for a biomimetic robot fish

This paper concerns with 3-D locomotion control methods for a biomimetic robot fish. The system architecture of the fish is firstly presented based on a physical model of carangiform fish. The robot fish has a flexible body, a rigid caudal fin and a pair of pectoral tins, driven by several servomotors. The motion control of the robot fish are then divided into speed control, orientation control, submerge control and transient motion control, corresponding algorithms are detailed respectively. Finally, experiments and analyses on a 4-link, radio-controlled robot fish prototype with 3-D locomotion show its good performance.     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性，选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究，对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析，同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力；并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较，验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析，说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

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。     

A pectoral fin analysis for diving rajiform-type fish robots by fluid dynamics

In this paper, we analyze a propulsive force generated from pectoral fins for a rajiform-type fish robot from fluid dynamic aspects. A pectoral fin of the rajiform-type fish robot is constructed by multiple fin rays, which move independently, and a film of pushing water. Then, the propulsive force of the fish robot is analyzed from the momentum of the fluid surrounding for every fin between fin rays. The total propulsive force for one pectoral fin is the sum of these momenta. The propulsive speed of a fish robot is determined from the difference of the propulsive force generated from pectoral fins, and the resistance force that the fish robot receives from the water when moving forward. The effectiveness of the proposed method is examined through numerical simulation and actual experimental results.     

Robot fish with two-DOF pectoral fins and a wire-driven caudal fin

This paper presents a robot fish with a wire-driven caudal fin and a pair of pectoral fins. First, the design of the robot fish is presented. The caudal fin is driven through wire-driven mechanism. The pectoral fins can perform two degrees-of-freedom motions, i.e. flapping (roll) and feathering (pitch). The pectoral fins can move in labriform mode for propulsion, or for other purposes such as turning and diving. Second, the propulsion analysis models for caudal fin propulsion and pectoral fins propulsion are derived. Finally, three types of experiments are conducted. Experiment results show that the swimming speed of caudal fin propulsion and pectoral fin propulsion match the model predictions. Moreover, with the caudal fin propulsion alone, the robot fish can swim up to 0.66 BL/s (body length/second); with the pectoral fin propulsion alone, the robot fish can swim up to 0.26 BL/s. The pectoral fins can significantly improve the maneuverability of the robot fish. Without using the pectoral fins, the turning radius of the robot fish is 0.6 BL; with the pectoral fins, the turning radius is reduced to 0.25 BL.     

SMA丝驱动的手指康复机器人设计及实验研究

为了研制一种轻便、可穿戴的仿生手指康复机器人,在分析手指肌肉骨骼生物参数及致动机理的基础上,设计了一种形状记忆合金丝(Shape Memory Alloy, SMA)驱动的软体柔性手指康复机器人,建立了其运动学和力学模型。以手套为结构设计的原型,通过控制SMA丝的收缩来模拟手指肌肉肌腱的收缩,从而实现辅助手指屈曲伸展运动的功能。试验研究了手指康复机器人的运动性能和抓握性能。试验结果表明,手指柔性康复机器人最大弯曲角度接近正常人手关节角度,最大指尖力可达18N,能完成日常所需的屈曲伸展以及抓握功能。     

Design Optimization of a Bionic Fish with Multi-Joint Fin Rays

This paper aims to design a novel bionic fish propelled by oscillating paired pectoral fins. Flapping motion deformation of the nature sample, the cow-nosed ray, is realized with simple mechanical structure through optimization. Locomotion analysis of the nature sample under linear cruise swimming conditions is carried out. Simplified mathematical models of the pectoral fin are obtained to be the design foundation of the bionic fin rays and the bionic fish. The number of fin rays is decided according to the passing kinematic wave shape and number. Distance and structure parameters are optimized, and determined by the minimum area error method. A novel two-stage slide–rocker mechanism is designed to fulfill the driving requirements with only one servo motor. System design of a new bionic fish robot is presented, including the mechanical design and the control method. Main bionic characteristics extracted from the cow-nosed ray are fulfilled by the prototype and verified by experiments.     

胸鳍推进机器鱼俯仰稳定性分析

胸鳍推进机器鱼的胸鳍在通过扑动产生推力的同时,也会产生纵向扰动,引起机身的俯仰运动,对应用产生一系列的影响.本文在传统潜艇稳定性概念的基础上建立了胸鳍推进机器鱼的俯仰稳定性模型,证明了机器鱼的俯仰运动系统是一个二阶线性系统;分析了由胸鳍扑动引入的扰动,证明其中包含常量分量、扑动频率的一倍频分量和二倍频分量.最后进行了样机的游动实验,实验结果间接证明了俯仰运动模型和胸鳍扑动扰动模型的正确性.     

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理．为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度，理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差．给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系，同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态．最后，通过实验验证了理论推导的正确性．