仿生水母机器人SMA驱动技术及试验研究

受水母喷射式推进方式的启发,研制了一种以SMA弹簧作为驱动材料的仿生水母机器人。本文首先对SMA弹簧性能做了试验研究,验证了采用SMA弹簧作为仿生水母机器人驱动源的可行性。并在此基础上,提出了一种基于SMA弹簧的直线差动式驱动器,经试验得出了驱动器推杆运动速度与负载的关系。然后对仿生水母机器人游动时动力学进行分析,并使用数值模拟的方法对仿生水母机器人运动阻力进行了计算,得出了在不同工作状态下,仿生水母机器人运动阻力的变化曲线。最后,对仿生水母机器人进行了试验测试,仿生水母机器人达到了预期游速,验证了SMA驱动仿生机器人技术的可行性。     

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。     

波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计

移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制,影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标,该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成,利用波浪垂荡运动,推动水下推进机构叶片的摆动,引起水下推进机构在水平方向向前的升力,使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机,并进行了海试。实验表明,在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。     

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。     

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。     

基于连杆机构综合的水下仿生推进装置设计

海洋动物在长期的进化过程中形成了高超的游泳能力,科学家和工程师希望通过对海洋动物的运动机理分析研发新型的高性能仿生推进装置。本文利用海龟扑翼运动的机理,设计一种基于四杆机构的仿海龟推进装置,并进行了运动分析。通过对海龟的扑翼运动进行分析,获取了海龟水翼在游动过程中的运动规律;运用机构综合的轨迹创成和刚体导引方法,设计了四连杆机构,使固连在连杆上的翼片能够近似实现海龟水翼的运动轨迹和姿态。文中计算了该机构的运动轨迹、姿态和角速度等运动参数,进行了机构的运动学仿真,该研究对于仿海龟推进装置设计和分析有借鉴意义。     

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。     

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。     

青岛近海大型水母漂移集合预测方法研究

考虑水母垂直运动等自主运动,基于集合预报和拉格朗日粒子追踪方法,建立青岛近海大型水母的集合漂移预测模型。并利用2012—2013年青岛近海水母实时监测数据和集合漂移预测模型,快速预测水母集合漂移轨迹、速度、趋势和可能影响范围等要素。通过分析水母监测数据和数值模拟结果,在水母如何自主运动及其机理尚不十分清楚的情况下,多轨迹漂移预测结果比单轨迹的更合理、科学、可信,能够传达更多的信息量,对水母灾害的应急处置更具有指导意义。     

水下滑翔器浮力驱动机构布局分析

水下滑翔器是一种新型海洋测量平台,它采用浮力驱动方式,并依靠调整重心实现姿态控制.文中从研究水下滑翔器纵垂面内滑翔运动的平衡状态入手,通过对将浮力驱动机构布置在滑翔器的艏部和艉部时的平衡状态受力进行对比分析,指出将浮力驱动机构布置在艏部可以有效缩短重心调节重物的移动距离.并分析了两种布局方式的优缺点,为水下滑翔器的结构设计和控制系统设计提供了参考.