快速液动网络仿水母软体机器人的结构优化

水母在海洋内分布深度范围大,经过数亿年的进化,它具备极强的环境适应性,提出了一种新型仿水母软体机器人结构。为避免以往仿水母机器人的缺陷,采用快速液动网络（Fast Liquid Network,简称 FLN）构建驱动结构,采用电推杆来实现仿水母软体机器人的外伞摆动。新的设计具有全封闭结构,适合独立自主和大水深环境下运行。构建了仿水母软体机器人的总体模型,基于 Yeoh 超弹性材料本构模型对机器人进行有限元仿真优化,获得了优化的结构参数（腔室和驱动器的尺寸）。采用精密加工模具实现了软体结构的制作,采用弹簧钢片对软体结构进行刚度加强,通过各部件的联接实现了模型的系统集成。通过对原型机的测试,实现了仿水母机器人水下自主上浮运动,验证了本设计方案的可行性。     

智能材料在水下仿生机器人驱动中的应用综述

基于智能材料的柔性仿生水下机器人的研究是当今水下机器人研究的热点之一。智能材料驱动的水下仿生机器人具有微型化、柔性化、智能化、低噪声以及易于主动产生复杂运动等特点,其外形结构更加符合生物学特性,和传统驱动方式相比具有较大的优越性,近年来在水下机器人领域得到了较快的发展。本文对几种应用于水下机器人中常见的智能材料的驱动原理进行了比较,在此基础上介绍了国内外近年来利用上述几种智能材料作为驱动器研制的各种机器人。对机器人的外形结构和驱动模式作了简要介绍,重点对机器人驱动效率进行了分析和比较,分析了几种驱动材料性能的优劣。最后,指出了当前仿生水下机器人发展存在和需要解决的问题。     

基于柔顺机构的双驱动仿生水母设计

水母以其高效的运动性能和灵活的感知功能,近年来在仿生学领域受到了广泛关注,可广泛应用于海洋探测和环境治理等领域。基于仿生学原理,从模拟水母的运动特性和趋光功能的角度出发,提出了一款双驱动的仿生水母,通过基于柔性机构的仿生鳍条实现水中扑动推进,通过基于管状折纸机构实现水下喷射推进,通过双驱动结构的协同驱动设计,有效提升水母推进效率。实验结果表明：双驱动模式下的仿生水母推进效率更高,摆动推进和喷射推进的最大推进力之比约为 2.7︰1,最大运行速度可达 100 mm/s,能够实现灵活的水下全向运动。模拟水母趋光特性,结合机器学习算法构建趋光控制系统,能够实现水下的趋光运动。     

仿金枪鱼三维建模及流场受力分析

以鱼体和鱼鳍作为研究对象,在流场中进行数值模拟分析对于研究鱼类本身游动的高速、高效的游动机理和仿生工程上的应用具有十分重要的意义。以金枪鱼为仿生对象,以目前常用的回转体型水下机器人为对比对象,在三维软件Solidworks中结合金枪鱼的运动与形体特征建立鱼体模型和回转体机器人模型,并将建立的模型转换格式后导入Fluent软件中,在来流方向设置为与模型方向相平行的流场中进行有限元数值计算。计算中物理场采用中心差分插值方法,流动模型采用RNG两方程模型,结合具体参数进行了推导计算。计算结果表明,与常用的回转体型水下机器人相比,仿金枪鱼可有效的减小其在水中航行的阻力,提高推进效率。而且,仿生机器鱼在设计中应着重于头部、尾鳍及鱼体流线型部分的设计,其中为最大程度上减小仿生机器鱼运动时的阻力,应更侧重于仿生机器鱼体的流线型外形的优化设计。数值计算结果为仿生机器鱼的结构设计提供了一个良好的力学基础,对于减小运行阻力、提高仿生机器鱼的运动控制水平具有较高的指导意义。     

微型缆控水下观测机器人推进动力分析

文中针对一款配置4个螺旋桨且五自由度运动可控的微型缆控水下观测机器人进行了推进动力性能分析,采用流体力学方法计算了螺旋桨推力和扭矩,以及机器人的总体运动阻力和运动效率等关键动力参数。该水下机器人利用水平配置的螺旋桨推进器可实现前后移动和横向转弯,利用两个V型配置螺旋桨推进器可完成垂向、横向和横滚运动。文章首先对单个螺旋桨转速分别为3 000 rpm,4 000 rpm,5 000 rpm时进行了水动力学分析,计算了不同转速下对应的前向推力和阻力扭矩,拟合了转速-推力和转速-扭矩曲线;其次,对水下机器人整体模型在前向、横向和垂向三个方向上进行了水动力学计算,分析了机器人的整体运动阻力,拟合了机器人的速度-阻力曲线;然后,对应比较螺旋桨的转速-推力曲线和机器人的速度-阻力曲线,大致得出不同螺旋桨转速下机器人的推进速度,明确螺旋桨转速与机器人运动速度的对应关系,为螺旋桨水动力分析确定入口速度;最终,根据螺旋桨入口速度,重新计算螺旋桨水动力,绘制了转速-推力和转速-扭矩曲线,并确定机器人的推进效率,得出了螺旋桨转动和水下机器人整体运动的关键动力参数。     

水下机器人主动升沉补偿系统研究

介绍一种基于水下机器人常规液压收放绞车的主动升沉补偿系统,利用加速度传感器获得母船的升沉运动信号,控制绞车的运转来降低母船的升沉运动对水下机器人的影响。通过理论计算建立主动升沉补偿系统的数学模型,仿真分析绞车运动对水下机器人升沉运动的补偿效果,并利用主动升沉补偿系统实验台验证基于常规液压收放绞车的主动升沉补偿方案的可行性。     

水下滑翔机器人运动分析与载体设计

水下滑翔机器人是一种新型水下机器人,具有噪声低、航行距离远、续航时间长、成本低等特点。分析了水下滑翔机器人的驱动机理和运动实现,给出了水下滑翔机器人典型运动的仿真结果,并以正在设计的一水下滑翔机试验样机为研究对象,描述了样机的整体结构布局,详细研究了浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构的实现方法,并就样机中各执行机构的设计实现进行了论述。     

深海小型履带式机器人转向动力学建模与分析

为预测复杂海底环境下的小型履带式机器人转向运动性能,运用履带与土壤之间的剪切应力-剪切位移关系,考虑履带滑转以及转向离心力因素,并将水中浮力和水阻力参数引入构建履带式机器人深海底质土壤环境下的稳态转向动力学模型。将海底土壤参数、机器人结构参数代入动力学模型迭代求解,分析得到影响海底履带式机器人运动性能的因素。以一款深海小型履带式机器人为研究对象,在动力学仿真软件Recurdyn中构建动力学模型,通过动力学仿真得到的数据与理论计算数据具有较高的一致性,最后通过水池试验对比验证了动力学仿真的正确性。本文提出的稳态动力学模型可以作为海底履带式机器人不同机械结构参数、土壤条件下通过性预测的理论依据。     

水牛蹄型深海集矿机履齿设计及牵引性能研究

作为深海采矿系统的重要组成部分,深海集矿机的技术研究和开发一直是许多国家的难题。为了提高深海集矿机在稀软沉积物上的牵引性能,基于水牛蹄的曲面结构特征和特殊几何结构,设计了一款仿水牛蹄蹄型履齿。以该款履齿的结构参数为研究对象,通过对朗肯被动土压力理论的优化,得到了仿水牛蹄蹄型履齿的牵引力解析解,建立了对应的履齿仿生参数对履齿牵引力的影响公式。结合正交试验方法进行了不同形式履齿在沉积物上运动的单、多履齿剪切试验,将仿水牛蹄蹄型履齿与直型履齿、仿水牛蹄轮廓履齿（另一种仿生履齿）进行对比试验,并通过模型车试验验证了该款履齿的可行性。结果表明：3种履齿中,仿水牛蹄蹄型履齿提供的最大牵引力最高。研究可为进一步优化仿水牛蹄蹄型履齿结构参数和提高深海稀软底质机械的牵引性能提供参考依据。     

水陆两栖机器人水下动力学建模及操纵性研究

针对多模态水陆两栖机器人作业环境复杂使得水下运动状态难以预报等难题,基于 CFD 方法求解的水动力系数,构建了机器人水下运动的五自由度动力学和运动学模型。基于机器人水下动力学模型,采用四阶经典龙格库塔法,开展了机器人直航运动及水平面回转运动数值仿真研究,并进行了水池试验验证。 试验结果数据与数值仿真结果误差均不超过 10%,验证了机器人水动力系数及五自由度动力学模型的准确性, 为水陆两栖机器人研制提供了理论与技术支撑。     

欠驱动AUV水平面动力定位控制方法研究

以欠驱动自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)为试验平台,提出了一种水平面动力定位控制方法。根据自研 AUV 平台的运动执行机构配置,针对其欠驱动特性设计运动控制器,控制纵向推力与转艏力矩,经过路径跟踪与区域镇定两个阶段,使航行器先沿预设路径快速接近目标点,再低速逐渐调整水平位置,最终在该点附近小范围内保持悬停。结合试验数据证明：航行器可抵达并稳定在目标点附近 2 m 范围内,并且在受到外力扰动偏离后能够重新返回,从而验证该动力定位控制方法的有效性。     

深海自持式剖面浮标水动力特性分析

利用CFD技术对浮标上浮下潜运动进行数值模拟实验分析,流场求解基于Navier-Stokes方程和RNG k-epsilon湍流模型,压力和速度的耦合采用SIMPLE方法解耦,流场的控制方程采用有限体积法离散且分离式求解。在此基础上揭示了浮标上浮下潜运动过程的流场特性;得到浮标水下运动过程阻力随速度变化的规律,并将仿真结果与浮标海试试验结果进行了对比分析,验证了该方法的可行性。为浮标控制和浮标外形结构的优化提供了理论依据。     

水下柔性鱼形机构原理及单尾鳍板水动力试验研究

柔性鱼形机构是模拟鱼类运动的一种仿生机械系统。对鱼类运动的观察与研究 ,实质上是寻求水域中最优推进形式的过程 ,是工程优化设计的途径之一。在研究及优化柔性鱼形机构时涉及到水动力学及控制模型的问题 ,因此取出鱼形机构的尾鳍部分进行敞水试验 ,既能为有关模型的建立提供依据 ,更重要的是对鱼形机构的可行性进行论证     

大深度水下滑翔机总体设计

水下滑翔机(Autonomous Underwater Glider,AUG)是一种浮力驱动的自主水下航行器 (Autonomous Underwater Vehicle,AUV),通过调整滑动质量块来改变重心与浮心的相对位置,从而控制自身的运动姿态。完成了水下滑翔机的外形设计,同时,对其各系统组成部分进行了初步设计与布局。利用 MATLAB 软件基于计算得到的流体动力参数对滑翔机进行运动特性分析,得出定常运动状态下攻角、俯仰角和水平速度等参量随重心水平位移和净浮质量之间的关系。最后使用 Simulink 软件对垂直面内滑翔机的运动模型进行弹道仿真,验证了水下滑翔机总体设计方法的有效性和可行性。     

软土地基中插入式大直径薄壁圆筒结构的一种简化数值计算方法

简述了对插入式大直径薄壁圆筒进行数值分析采用的力学机制，用弹簧元模拟薄壁圆筒与地基土体接触面间的连接所形成一种简化的数值计算模型，运用大型通用有限元软件ANSYS进行二次开发后对其进行数值计算与分析，比较了对筒内外淤泥粘土采用不同加固处理方法以及考虑相邻圆筒间采用不同边界约束条件时，对圆筒的应力和稳定性的影响。通过实例计算，验证了该数值模型的有效性与可行性，并得出一些有益结论。     

基于线粒体COI基因的泰国近海有毒水母遗传多样性研究

利用编码线粒体细胞色素氧化酶I(COI)的基因片段序列,对泰国近海有毒水母69个样本进行遗传多样性研究,并探讨该片段作为DNA条形码对泰国近海有毒水母类进行快速分类鉴定的可行性,以期为后续有毒水母的监测和预警、生物学和生态学等的研究提供技术支撑。基因碱基组成分析表明,立方水母COI序列GC含量为42.1%,明显高于钵水母(37.1%)和水螅水母(36.9%)。COI基因编码氨基酸的密码子第3位点GC含量(30.2%)显著低于第1,2位点(分别为47.4%,42.1%),且该位点碱基替换频率最高,转换/颠换比值为1.0,表明该位点碱基突变趋于饱和;但去除密码子第3位点,对系统进化树的构建无显著影响。根据COI序列计算3个纲水母的K2P(Kimura 2-parameter)遗传距离,得出种内遗传差异为0.000~0.151,均值为0.036,同纲种间遗传差异为0.167~0.321,均值为0.263,纲间遗传差异为0.246~0.385,均值为0.334。该COI基因片段能够快速有效区分这些有毒水母种类。研究表明,泰国沿岸水母多样性较高,所获69个样品可以分为13个种,包括5种钵水母、6种立方水母和2种水螅水母,其中Carukiidae科存在新属新种。立方水母的地理分布具有明显的区域特征,马来半岛东西两岸存在物种和遗传多样性差异,其产生原因还有待于进一步研究。     

单关节尾鳍驱动式机器鱼的运动分析与仿真

鱼类的推进方式相较于螺旋桨推进更为高效且噪声更低,如何将鱼类的游动机理与机电驱动相结合一直是国内外的研究重点之一。以一款单关节尾鳍驱动式机器鱼为模型,结合鱼类的游动机理,介绍了实现机器鱼在水中基本运动的方法;建立机器鱼在水中的运动方程,探究机器鱼在推进过程中的尾鳍摆动频率与推进速度之间的关系,并结合具体参数确定推进系数,利用FLUENT软件验证运动方程的正确性,其中包含对机器鱼阻力方程和推力方程的仿真验证。通过对单关节机器鱼的运动分析及仿真,确定机器鱼推进效率的影响因素和结构优化设计的思路方法。     

长江口南支河床质的运动规律

对长江口南支河床不同地貌单元上河床质的组成进行了分析,并通过室内环形水槽试验和现场资料分析、验证,得出不同河床质的运动规律,然后在分析各家泥砂运动公式的基础上,得出适合于长江口南支河床质的运动表达式。     

水下仿生扑翼机器人的发展现状综述

参照蝠鲼等鱼类游动方式所研制的水下仿生扑翼机器人具有效率高、机动性强、负载能力大等多方面优势。由于其广阔的应用前景,水下仿生扑翼机器人已逐步成为水下航行器领域的研究热点。本文系统地将蝠鲼的生物学特性、机器人的结构设计、动力学模型、单体运动控制、集群运动控制以及实验研究等方面的国内外研究进展进行了总结和梳理。已有的研究表明：水下仿生扑翼机器人正在朝着软体化、集群化、 高机动等方向发展,新兴的水下仿生扑翼机器人及仿生集群能够更加精确的模拟真实生物的游动姿态,并开展相关任务。当下的研究为水下仿生扑翼机器人性能的进一步优化与提升奠定了坚实的理论与实践基础。     

一种八推进器水下机器人动力学分析

随着对水下机器人研究的逐步深入,其运动能力已由早期单纯的平动逐步强化为有多个自由度的空间运动,对其进行动力学研究是进行其它方面能力研究的基础。为研究多自由度水下机器人的运动,对某型八推进器水下机器人进行了动力学方程建模,得出了其在6个自由度上的运动方程,在此基础上,对其进行了运动仿真及性能分析,得到了该型水下机器人在6个自由度上的运动性能。通过仿真计算的结果,可以直观地了解其运动能力。