无缆微型仿鱼泳动机器人的设计与运动分析

根据鱼类的游动推进原理,提出一种基于螺线管线圈结构的外磁场驱动微型仿鱼机器人的设计方案,构建了其实验控制系统,分析了机器人在液体中的推进力和动力学模型,以及尾鳍对其推进性能的影响。实验结果表明,不同的尾鳍摆动频率和尾鳍长度对推进速度有很大影响,其运动速度随驱动频率的增大而逐步增大,但当驱动频率大于7 Hz时运动速度减慢。实验结果与理论分析相一致。     

仿鱼推进器的水动力性能研究

结合仿鱼推进双体船的实验模型,在解决了单体单尾机器鱼运动时摇艏问题的基础上,建立仿鱼推进器尾鳍运动的数值计算模型,用面元法计算尾柄与尾鳍以不同相位角摆动时尾鳍的平均推力性能和平均推进效率曲线,计算尾柄与尾鳍同相位摆动时尾鳍摆动频率与摆动过程中最大推力的关系曲线,从计算结果可以看出,对于双体双尾仿鱼推进器在设计中尾柄和尾鳍可以刚性联接,并适当增加尾鳍的摆动频率可以极大地提高尾鳍摆动过程中产生的最大推力,提高仿鱼推进器的推进功率.     

尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响

研究了尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响. 设计了一套摆尾仿生推进装置,实验分析了仿金枪鱼、仿海豚、仿白鲸3种尾鳍的推进性能. 同时采用数值方法对尾鳍的水动力性能进行了计算. 实验和数值结果表明,仿金枪鱼尾鳍的平均推力系数和输入功率系数最小,推进效率最高. 对尾涡的分析表明,仿金枪鱼尾鳍尾涡强度最弱,分布范围最小.     

C形起动时鱼尾模型的流场结构

在活鱼观察实验的基础上,用对称和非对称两种模型模拟了鱼类尾鳍C形起动时周围的流场结构,测量了模型受到的力和力矩.通过氢气泡和PIV方法研究了对称和非对称尾鳍C形起动时产生的旋涡结构特征;通过涡量矩理论定性分析了旋涡流场结构与C形起动模型动力学特征的关联.     

仿生鲔科机器鱼的多机体协同推进效率优化

推进效率是水下潜器装备运行的核心问题,对机器装备的现实应用具有至关重要的影响.针对仿鲔科鱼类研制的机器鱼,根据鲔科鱼类波状运动特征,将机器鱼体离散为由鱼体、尾鳍、胸鳍等部分组成的多刚体系统,结合鱼体所受外力载荷,运用牛顿欧拉法建立了机器鱼动力学模型.基于该动力学模型,开展了以提高机器鱼的推进效率为目标的鱼体运动参数优化设计,以机器鱼的巡游效率为目标、以鱼体各机体的运动参数为优化设计变量、选用遗传算法为优化算法,进行参数匹配优化;通过优化实现了机器鱼尾鳍、鱼体及胸鳍的多机体协同,提高了机器鱼的推进效率.针对优化匹配设计结果,进一步开展了机器鱼的运动学数值模拟仿真,结果表明机器鱼的巡游速度在数值上为鱼体长度的1. 415倍时,机器鱼的推进效率最高,其值达到最大值49. 9%.     

多节舵机驱动的柔软尾鳍机器鱼设计与研究

自然界中大部分鱼类依靠身体和尾鳍的波动推动来驱动自身的运动。仿照该类鱼游形式的水下机器人具有游动效率高、噪声低、隐蔽性好等特点,能够在水体中执行巡逻监测、探测搜索、情报收集等任务,在水下资源探测开发、国家安全防卫等方面具有广阔的应用前景。设计制作一款高效游动的软体机器鱼,该机器鱼仿照自然中应用最广泛的身体-尾鳍推进模式,身体的驱动由三个串联舵机完成,尾鳍采用软体硅胶被动变形来进行能量捕捉,从而实现S型摆动提供推力。实测结果发现柔软的鱼尾鳍推进效率较高,速度达到0.3 m/s,对应的斯托哈尔数为0.543,与真鱼的游动相当。     

仿鱼推进的实验研究

模仿金枪鱼的摆尾推进方式,制作了单尾仿生机器鱼.实验测量了机器鱼的航行速度、阻力和系泊状态时尾鳍摆动产生的推力.针对单尾鳍摆动存在的机器鱼的摇艏问题,进一步设计出双尾鳍仿鱼推进器,并将其应用于小水线面双体船,制作了仿生双尾推进的实验平台.在水池中进行了实验研究,结果表明:仿生双尾推进不仅解决了单尾机器鱼游动时的鱼体晃动问题,而且还具有优良的推进效率和操纵性能.作为一种新型的仿生推进器,仿生双尾推进具有广阔的工程应用前景.     

一种新型微型仿生机器鱼控制系统的设计

针对ICPF（ionic conducting polymer film）驱动的微型智能仿生机器鱼进行研究.以鱼类为仿生对象,通过对鱼类游动机理的仿生学研究,设计了鱼形结构的主体框架、两自由度的胸鳍和尾鳍推进机构及基于AVR单片机的机器鱼硬件控制系统.针对微型仿生鱼运动特点,设计了直线巡游和转弯运动等运动模式及自动避障功能.最后建立了仿生机器鱼实验系统,进行了仿生机器鱼驱动性能测试和推进实验,实现了仿生机器鱼的避障功能,验证了系统设计的可行性.     

新型浅吃水双尾鳍渔船船型的研究

双尾鳍船型目前普遍应用于浅吃水肥大型的运输船上，对改善其阻力、推进性能和耐波性方面均有明显的效果。然而在相对较瘦的小型渔船上未见有所应用、作者通过理论分析，在国内提出在渔船上采用双尾鳍船型。本文对浅吃水渔船的尾鳍形状设计进行了探讨，并就设计的两种不同形状的尾鳍船型进行了阻力、推进和耐波性的模型试验。结果表明，只要尾鳍合理，可使其阻力、推进和耐波性能优于普通的双桨渔船以及目前渔民惯用的三机三桨推进的     

摆幅对仿金枪鱼尾鳍推进性能的影响

针对仿金枪鱼尾鳍,开展摇摆幅度对其推进性能影响的研究。首先,基于浸入边界法实现对尾鳍数值模拟,通过试验比对验证数值方法的有效性。然后,建立仿金枪鱼尾鳍的三维模型,数值模拟其不同摇摆幅度下推进性能的变化。最后,对仿真结果进行对比分析。结果表明,在大摇摆幅度下,随着摇摆幅度增大,尾鳍受到平均推力系数缓慢增大,推进效率快速下降。研究可为仿金枪鱼尾鳍类机器的设计和控制提供参考和指导。     

机器海豚尾鳍运动模型的建立及仿真

以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰--沉浮运动的数学模型,同时建立了描述豚尾各运动参数之间关系的方程,随后运用Matlab的仿真功能再现了海豚在游动过程中尾鳍的运动规律.该模型可用于定性描述运动参数对海豚推进性能的影响,为进一步研究豚尾动力学提供了理论基础,同时也为机器海豚尾鳍的控制设计提供了理论依据.     

基于锦鲤BCF摆动推进特性分析

以锦鲤为仿生对象,研究躯干和尾鳍的摆动推进特性。根据鱼体形态特征建立仿生鱼几何模型,并根据鱼体躯干和尾鳍的摆动姿态,分别建立不同的运动学模型,进而采用动网格技术并编写控制鱼体的UDF程序,对仿生鱼在被两种控制方程的驱动下的运动状态进行数值模拟,研究不同的运动频率、摆动幅度、来流速度对仿生鱼游动速度、加速度、位移及其压力分布的影响,揭示两种控制方程下仿生鱼摆动的推进性能特性。结果表明：在两种控制方程的驱动下,无论运动频率怎样变化,仿生鱼达到稳定状态时间相同,相同周期内游动距离相近;当摆动幅度为30°时,仿生鱼达到稳态时间最短,且波动相对较小,是最佳幅度;来流速度低于0.1时,可以在流场中稳定游动。且该模型在稳定游动状态下,高压低压分布在尾鳍两端,推动鱼体前进,与实际相符合。     

Multimodal swimming control of a robotic fish with pectoral fins using a CPG network

The neural-based approaches inspired by biological neural mechanisms of locomotion are becoming increasingly popular in robot control.This paper investigates a systematic method to formulate a Central Pattern Generator(CPG) based control model for mul-timodal swimming of a multi-articulated robotic fish with flexible pectoral fins.A CPG network is created to yield diverse swim-ming in three dimensions by coupling a set of nonlinear neural oscillators using nearest-neighbor interactions.In particular,a sensitivity analysis of characteristic parameters and a stability proof of the CPG network are given.Through the coordinated con-trol of the joint CPG,caudal fin CPG,and pectoral fin CPG,a diversity of swimming modes are defined and successfully imple-mented.The latest results obtained demonstrate the effectiveness of the proposed method.It is also confirmed that the CPG-based swimming control exhibits better dynamic invariability in preserving rhythm than the conventional body wave method.     

一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼

提出了一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼设计方案,着重解决了机器鱼摆动式推进的问题.在该方案中,应用曲柄摇杆原理,采用了特殊的四连杆摆动机构,结合柔性尾部实现了机器鱼的摆动式推进;巧妙应用了霍尔位置传感器,检测摆杆临界位置,实现了鱼尾位置判断,进而控制鱼尾来转向;研制了以气缸为压缩泵的气路沉浮机构作为"鱼鳔",能使机器鱼进行沉浮动作.实验显示这种机器鱼达到了预期的功能,在水下作业、军事侦察、娱乐等领域有一定的研究应用价值.     

云南省洞穴盲金线鲃一新种——额凸盲金线鲃

2015年10月,在云南省丘北县温浏乡一喀斯特洞穴因山洪爆发形成的小湖泊中,捕到1尾无眼盲金线鲃标本.经研究系一新种,以头上额前有一短粗凸起命名额凸盲金线鲃Sinocyclocheilus convexiforeheadus Li Yang et Li sp,nov.新种与透明金线鲃S. hylinus Chen et Yang（1994）、鹰喙角金线鲃S. aquihornes Li et Yang（2007）的区别是,额部凸起短粗VS棒状长角或鹰喙状长角,胸鳍不达腹鳍起点VS胸鳍超过腹鳍起点,背鳍起点在腹鳍起点之前VS背鳍起点在腹鳍起点之后.     

Mechanical design and implementation of a new biomimetic robot fish

A mechanical design method of robot fish is introduced in this paper.Based on this method an antonomous 3-Dimension(3D)locomotion robot fish with two pectoral fins and a caudal fin is developed.The pectoral fin mechanism has 3 degrees of freedom(3-DOFs),which enables the robot fish to realize yawing and pitching motions by controlling two pectoral fins.And the caudal fin mechanism is designed based on fish body wave curve fitting.The forward velocity can be adjusted by changing the caudal mechanism's oscillating frequency.Finally a physical implementation of the robot fish and experimental results are given.     

贵州中三叠世盘县动物群比耶鱼属未定种的发现及其意义

记述采集自贵州省盘县中三叠统安尼阶关岭组上段盘县动物群的一件仅残存尾部的比耶鱼标本。这是比耶鱼在该动物群的首次报道, 也是目前比耶鱼在中国地质时代最早的化石记录。依据标本个体大、仅尾上叶及尾柄后缘背侧覆盖有狭长条状且缺失硬鳞质的鳞片、尾部发育单个愈合的神经棘和脉棘、尾鳍背缘棘鳞发育等特征, 将其归入比耶鱼属。同时, 该标本以个体更大(推测身长超过2 m)、尾下骨更多(9 根)、尾下叶棘鳞发育以及上、下叶外缘交角超过 70°等特征, 不同于已报道的其他比耶鱼物种。但是, 考虑到标本信息有限, 暂定为比耶鱼未定种Birgeria sp.。比耶鱼是仅见于三叠纪海洋中的全球性分布的大型肉食鱼类, 其在盘县动物群中的首次发现丰富了该动物群鱼类多样性, 增加了其群落生态结构的复杂性。基于当前化石发现的情况, 认为比耶鱼在东特提斯生物区(中国)较西特提斯生物区的出现可能更晚, 前者最早的化石记录见于中三叠世安尼期, 而后者最早见于早三叠世史密斯亚期。     

鱼形微机器人推进的力学分析

基于鱼类肌肉水动力学的研究,利用鱼类尾鳍与微机器人摆翼运动相似性,对仿生鱼形微机器人摆翼所产生的推进力进行了分析。分析表明,鱼形微机器人推进力与流体的粘性系数、摆翼面积和偏移角等因素有关。