仿生机器鱼靠壁游动的壁面效应特性研究

为实现仿生机器鱼靠壁游动的工程实际需求,研究了机器鱼靠壁游动过程的壁面效应特性.首先建立了机器鱼运动学模型,然后采用计算流体动力学方法对机器鱼靠壁游动过程的水动力学和流场分布进行了数值仿真计算,最后对机器鱼在不同靠壁距离下的水动力参数进行了实验测试分析.结果表明:固体壁面会对机器鱼靠壁游动过程的水动力参数产生影响,靠壁距离越小,产生的偏航力矩和侧向力越大,从而导致机器鱼形成远离壁面的偏航游动.     

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。     

柔性机器鱼的动力学建模及其游动性能分析

生物学研究表明,当鱼类尾鳍的摆动频率与其固有频率接近时,可获得快速高效的游动性能,而固有频率又与鱼体本身的粘弹性机械特性、水动力学特性等因素存在着复杂的关系。根据Lighthill细长体理论,本文通过建立柔性机器鱼的动力学模型,求解其在流体环境中的固有频率,并结合鳕鱼(Saithe)的生物学数据,进一步分析了在‘共振’状态下机器鱼动力学参数与其游动性能间的关系。结果表明,机器鱼的共振频率是由鱼体本身和周围流体来共同决定的,鱼体摆动长度越长,截面尺寸越小,对应的共振频率越小。同时发现当鱼体波波速或滑移率不变时,鱼体游动速度与其共振频率成正比。上述结论均与现有生物学数据相吻合。总体上,该研究从柔性机器鱼的动力学出发,初步探索了鱼体的动力学参数与其游动性能之间的关系。     

机器鱼群体推进速度一致性研究

针对尾鳍推进机器鱼群体速度一致性问题,以动能映射特征方程为基础,提出了基于平行辨识的一致到达方法;并进一步提出了基于动能映射系数整定协议的速度同步方法. 具体实现为:首先为群体内的个体建立一簇运动学特征方程,并采用参数迭代学习辨识及自适应控制策略使机器鱼各自独立推进. 在速度目标相同的条件下,机器鱼群体最终趋近于等速运动;然后,通过建立稳态下的动能映射系数整定协议,由主机器鱼参数值整定群体参数,避免了不同个体测量误差带来的步调变化,实现群体速度的同步和前进姿态稳定. 仿真结果证明,该目标速度一致性实现方法是有效的.      

基于IPMC驱动器的小型遥控机器鱼的研制

IPMC智能材料具有驱动电压低、响应形变高的特性.利用这种智能材料为驱动器,设计了一种小型遥控机器鱼.该机器鱼可以由红外电视遥控器遥控,通过改变加在IPMC材料上的驱动电压的幅值和频率来控制机器鱼的游动方向和游动速度.在实验过程中,分别比较了在正弦波激励和方波激励下机器鱼的游动速度的差异,同时验证了驱动信号的幅值与频率对机器鱼游动速度的影响.通过实验有效地证明了IPMC材料作为驱动器的可行性.     

仿生机器鱼水动力学与机构动力学耦合建模研究

针对多关节仿生机器鱼自主游动过程的复杂动力学建模问题,利用中枢模式发生器产生机器鱼的关节驱动信号,采用细长体理论和Newton-Euler法建立了机器鱼水动力学和机构动力学耦合模型。将机器鱼物理模型的尾部关节角摆动规律作为动力学模型的运动输入,对比了数值仿真结果与物理模型实验结果,验证了耦合动力学模型的准确性。分析了机器鱼尾部关节间相位差、摆动角频率和摆动幅值对机器鱼游动性能的影响。结果表明：摆动角频率和最大摆动幅度在一定范围内与平均游速近似成正比,与头部稳定性成反比;相较于平均游速,头部稳定性对关节间相位差的变化更加敏感,较大的尾部关节间相位差能够获得更好的游动稳定性。相关结论可为进一步研究仿生机器鱼复杂轨迹跟踪问题提供前提和理论基础。     

基于CEL法的柔性仿生机器鱼模型及巡游速度研究

为了研究柔性仿生机器鱼的设计参数(鱼体刚度、鱼体摆动频率、鱼体摆动幅值)对巡游速度的影响规律,并据此得出仿生机器鱼在达到较优巡游速度时的参数组合,文中首先根据耦合欧拉-拉格朗日(简称CEL)法的基本原理建立了柔性仿生机器鱼自主游动的流固耦合模型,然后通过正交试验得到不同组合的设计参数,并通过数值仿真模拟在不同参数组合下仿生机器鱼的巡游表现,最后根据仿真数据统计出各项设计参数对仿生机器鱼巡游速度的影响,并据此得到较优的参数组合。结果表明:CEL法能够考虑柔性仿生机器鱼在游动过程中的柔性变形,因而能够更加真实地反映实际情况中柔性仿生机器鱼的游动行为;在样本范围内,柔性仿生机器鱼模型的巡游速度随着鱼体刚度和鱼体摆动幅值的增加而呈现先增后减的趋势,随着鱼体摆动频率的增加呈现增加的趋势;在鱼体刚度(弹性模量)为30 MPa、鱼体摆动幅值为0.13倍体长、鱼体摆动频率为5.16 Hz时,柔性仿生机器鱼的巡游速度达到较高的水平。     

超磁机器鱼游动数值模拟及其控制

针对管道中微小型机器人的研究和开发,提出一种利用外磁场驱动起小型机器鱼的研究方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,建立了该问题的力学模型.通过研究机器鱼的游动机理,设计了一种机器鱼的超磁动力驱动器(GMMA).利用调整外界磁场频率,实现神经模拟以控制鱼尾摆动,即机器鱼的游动.结果表明,鱼尾摆动平均驱动力的大小取决于鱼尾的材料参数、几何参数和外磁场频率.特别是当外磁场频率接近系统固有频率时,该驱动力相对较大,该结论可作为鱼尾设计和控制的主要思路和依据.     

用于煤矿井下透水事故探测机器鱼的研究

为探测煤矿井下透水时被困人员的位置和井下环境信息,便于井下透水事故被困人员的营救,该文研究了电磁舵机驱动的机器鱼。根据仿生学原理设计了机器鱼的形体参数;通过对机器鱼在水下的受力分析,确定了电磁舵机的扭矩,并在此基础上选定了电磁舵机的参数;设计了机器鱼实现直线巡游和转弯的控制系统;最后通过实验验证了电磁舵机驱动机器鱼游动的可行性。     

仿生机器鱼的水下探测和避障控制

文章提出了一种集成多红外测距传感器、GPS定位器、CMOS摄像头的仿生机器鱼,建立了仿生机器鱼传感器网络,设计了机器鱼的机构组成和技术参数,制定了一种仿生机器鱼游动规则库和控制方法,定义了10种机器鱼基本运动形式和几种转弯模式,使其在设定的游动规则中自主游动,主动避障,探测水下情况,实验验证了其有效性。     

基于串级PID的机器鱼位姿控制算法

针对三关节仿生机器鱼的位姿控制问题, 首先, 介绍三关节仿生机器鱼的硬件结构及其运动控制系统; 其次, 基于期望位姿建立坐标系, 构建机器鱼的位姿误差模型； 再次, 在串级比例-积分-微分(PID)控制系统的基础上, 提出基于串级PID的仿生机器鱼位姿控制算法; 最后, 在URWPGSim2D仿真平台和多水下机器人协作控制系统平台下分别进行算法仿真实验和实体实验. 实验结果表明: 与时变反馈控制算法相比, 基于串级PID算法的仿真机器鱼到达目标位姿所用时间增加, 但位置误差和方向角误差减小, 位姿控制的精度提高; 仿生机器鱼到达期望位姿所用时间为14.4 s, 位姿误差为(-3像素,-4像素,0.062 rad), 基本满足循迹和搬运等应用要求, 验证了算法的有效性.     

仿生机器鱼巡游性能分析与实验

以鱼体运动行波方程为动力学基础,参照鱼体尾部运动函数方程设计了"BLRF--I"系列仿鲹科机器鱼.在该系列机器鱼中,采用模块化设计结构,可以方便地更改尾部驱动舵机的数量,形成仅有驱动舵机数量不同、其他机制完全相同的单关节、两关节和三关节仿生机器鱼.对"BLRF--I"系列机器鱼的巡游速度与最小转弯半径进行实验分析.结果表明,"BLRF--I"系列机器鱼尾部驱动舵机数量的增加可以有效地提高巡游速度,最小转弯半径在舵机数量为2时达到最小.进而论证了仿生机器鱼关节数目对机器鱼游动性能的影响,并提出了仿生机器鱼关节数目和巡游速度的关系方程.     

三关节机器鱼的尾部动力学建模与仿真

机器鱼技术为研究高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路,是近几年水下机器人领域的研究热点之一.以三关节机器鱼为研究对象,建立了尾部动力学模型,并进行了仿真,由该模型出发对机器鱼的动力学进行了研究,分析了机器鱼速度与频率等的关系.该方法实现的运动仿真与真实的鱼的运动基本一致,速度随着摆动频率的降低而减小,随着相位差的减小而增加,摆幅对速度的影响很大.     

基于双向流固耦合的血管机器人外流场数值模拟

采用双向流固耦合的方法,对血管机器人的外流场进行数值模拟,为血管机器人外结构与运行参数设计提供参考.计算结果显示,伴随着血流脉动,血管的变形呈现周期性喇叭形扩大—向前传递—恢复原状,变形较大的区域主要集中在血管机器人迎流面,同时机身旋转的作用快速将血液输送至背流面,使背流面的变形比机身变形略大;进而给出了壁面剪切应力与血管变形间的关系式,揭示壁面剪切应力随血管变形而变化的规律.最后,分析了血管弹性对血管机器人推动性能的影响,结果表明,血管弹性对血管机器人推动性能影响不大.     

基于零力矩点的四足机器人非平坦地形下步态规划与控制

为提升四足机器人在非平坦地形中的行走能力,根据零力矩点理论分析机器人行进过程的稳定条件,利用稳定裕度的概念,在支撑多边形中求取最优稳定点来规划零力矩点. 为避免walk步态中频繁调整躯干姿态导致的能耗和行进速度损失,提出了在次优支撑三角形中求取最优稳定点的方法. 针对斜坡地形中机器人运动性和稳定性的矛盾,设计了综合性能更高的躯干姿态和支撑点位置. 为适应不同坡度和躯干角度,通过对零冲击足端轨迹规划方法进行改进,实现了以目标支撑点为中心的斜坡零冲击规划目标. 仿真试验结果表明,该规划控制方法能够实现机器人在不同斜坡中的稳定行走.      

四足机器人坡面行走稳定性分析

为了提高四足机器人坡面行走的稳定性,四足机器人的小腿采用液压缸,并提出了通过增大机器人后腿小腿腿长和减小前腿小腿腿长的方法,使机器人质心向前移动,从而提高坡面行走稳定性.对四足机器人进行了运动学分析,计算了四足机器人前腿和后腿小腿腿长的调整量与坡面倾斜角度的关系.利用Adams和Matlab,对四足机器人进行了联合仿真.仿真结果表明,四足机器人能够以trot步态在坡面上稳定行走,验证了四足机器人质心调整方法的有效性.     

Dynamic stability of quadruped robot walking on slope with trot gait

The dynamic stability of a quadruped robot trotting on slope was analyzed.Compared with crawl gait, trot gait can improve walking speed of quadruped robots.When a quadruped robot trots, each leg is in the alternate state of swing phase or supporting phase, and two legs in the diagonal line are in the same phase.The feet in the supporting phase form a supporting region on the ground.When a quadruped robot walks on slope, the vertical distance from zero moment point ( ZMP) to the sup-porting diagonal line is defined as ZMP offset distance.Whether this distance is less than the maxi-mum offset distance or not, the stability of robot trotting on slope can be judged.The foot trajectory was planned with the sinusoidal function.Based on the kinematic analysis, the ZMP offset distance of quadruped robot under different slope angles, step length and step height was calculated, then the reasonable slope angle, step length and step height for quadruped robot trotting on slope to keep dy-namic stability can be determined.On the other hand, the posture angle of quadruped robot should be controlled within the desired range.Computer simulations were executed to verify the theoretical analysis.The study will provide reference for determining reasonable step parameters of the quadru-ped robot.     

油罐容积检测用爬壁机器人的研制

研究一种用于检测油罐容积的爬壁机器人．该机器人用永磁铁作为磁吸盘元件，磁吸盘连接在链条上，具有一个特殊磁路以产生机器人吸附在壁上所需的磁力．设计了磁性定向转位机构和力分散机构．为满足油罐测量精度，设置了姿态和位置传感器．机器人控制采用多层计算机，上层处理机器人管理和路径规划，下层用于爬壁机器人的姿态和运动控制．     

四足机器人坡面运动时的姿态调整技术

提出了一种四足机器人对脚小跑步态下的坡面运动姿态调整策略.采用复合摆线对机器人足端轨迹进行规划,以减小足端在换相点处与地面间的瞬时冲击;以机器人质心在斜面上的落点到支撑线的距离为判据进行四足机器人坡面运动稳定性分析,得到其姿态调整的确定值.在Adams中建立了四足机器人的虚拟样机模型并进行了仿真试验,试验结果证实所提出的姿态调整策略对提高四足机器人坡面运动稳定性有效.      

脉动流场中血管微型机器人的运行研究

研究一种应用于人体血管的新型螺旋式微型机器人.利用机器人机体内外表面不同旋向的螺旋槽和在液体环境中不同转向的高速旋转,实现机器人的悬浮式快速运行.在模拟人体主动脉的脉动流场环境下,运用计算流体力学(CFD)方法数值研究螺旋机器人在一定的运行速度下,机器人内外螺旋的轴向驱动力、轴向力矩以及机器人对血管壁的压力,并且分析机体的内外转速和机器人运行速度对机器人轴向驱动力和血管壁所受压力的影响.研究结果表明:血管壁所受最大压力和机器人内外螺旋轴向驱动力变化基本和血流速度变化趋势一致,机体外螺旋所受轴向力矩为负值,机体内螺旋所受轴向力矩为正值;随着机体内外转速的增加,血管壁所受最大压力和机器人的轴向驱动力都随之增大,机体外螺旋转速的增加更有利于机器人轴向驱动力的增大;随着机器人运行速度的增大,机器人轴向驱动力先增大,当运行速度达到一定值时,机器人轴向驱动力又随之减小.实验证明这种螺旋机器人可以在顺流和逆流的流体环境中运行.