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。     

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。     

可着陆式水下机器人的多体动力学建模与仿真

可着陆式水下机器人由于变浮力机构的设计要求,其外形与结构较之传统的水下航行器更为复杂。在设计阶段对可着陆式水下机器人进行仿真和操纵性分析具有重要意义。文中采用多体系统动力学方法分析可着陆式水下机器人动力学特性,将作用在系统各组成部分上的流体动力、推进力以及其它作用力分别计算和考虑,建立了多体动力学模型,并进行了三维空间运动仿真。该方法为具有较复杂附体结构的水下机器人设计和动力学仿真提供了有效途径。     

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。     

水下滑翔机器人系统研究

水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人,可以作为水下监测平台用于大范围、长时间的大尺度海洋环境监测作业。文中调查了水下滑翔机器人的国内外发展现状,分析了其可能的应用领域。详细介绍了中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下滑翔机器人系统,包括载体外形优化设计、载体结构设计和控制系统设计。分析了水下滑翔机器人定常滑翔运动和空间螺旋会转运动的运动性能。     

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。     

水下机器人标准体系框架构建探索

水下机器人作为一类特种机器人,日益成为探索海洋奥秘、开发海洋资源的重要工具,被称为海洋高技术的皇冠,正逐步成为国家间海洋技术竞争的制高点。水下机器人标准体系最直接的作用是指导、规范水下机器人标准制定工作,使人们清楚水下机器人标准化工作方向和重点,有助于推动水下机器人研发和产业化进程,促进快速、健康发展。文章在介绍国内外水下机器人标准制订的基础上,探讨水下机器人标准体系框架构建思路,提出标准体系建设路径,明确水下机器人标准化工作范围和领域,并构建了水下机器人标准体系序列结构、三维结构、层次结构3种框架模型,为构建我国水下机器人标准体系提供了有价值的参考。     

水下滑翔器整体外形设计及水动力性能分析

对水下滑翔器的整体外形设计与水动力性能进行研究。在Slocum等几种典型水下滑翔器样机的基础上,对滑翔器的主体和附体进行一体化设计,得到阻力最小的新型水下滑翔器构型设计。利用CFD方法对水下滑翔器进行模拟仿真,通过分析对比五种主体构型,得到了比较合理的主体线型,然后用正交设计方法和曲线拟合法对附体进行了优选工作,最后得到了性能更优的整体载体外形。模拟仿真实验表明,滑翔器在8°左右攻角航行时,具有最大的升阻比;和Slocum等经典样机相比,新的载体具有更好的水动力性能。通过上述研究工作,也可以缩短水下滑翔器研制周期,降低设计成本,并为水下滑翔器的更优设计提供了有力的技术指导和参考。     

基于电动螺旋的可控水下吸附结构模型设计

牢固可靠的水下生根是提高水下机器人(ROV)作业效率的关键。首先对步进电机-滚珠丝杠驱动负压吸附结构进行了研究,设计了一型可用于水下负压吸附的内部充油双对置活塞结构,并对提高端面密封性能的多唇边密封结构进行了形状设计,其次推导了实现可控吸附结构的力学模型并进行了计算分析,最后建立了可控水下负压吸附结构功能实现的流程。研究结果可为水下可控可靠吸附结构的硬件实现提供参考。     

基于海洋机器人的科学观测与实验系统研究现状与展望

海洋机器人具有观测范围大、作业灵活、机动性好、可控性强等突出优点,在海洋科学观测与海洋科学实验中发挥了重要作用,促进了物理海洋和海洋生物地球化学的发展。为阐明海洋机器人在海洋科学观测和实验中的应用情况,以水下滑翔机、自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）和无人帆船3种典型的观测型海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学观测中的应用现状;以原位采样与固定、原位培养与分析海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学实验中的应用现状;最后结合未来海洋科学研究需求,从需求牵引的角度对基于机器人的科学观测与实验系统的发展趋势进行了展望。     

水下仿生流场探测技术研究进展

随着对海洋的探索与开发,水下探测技术的发展起到了重要作用。水生动物的敏感器官,如鱼类的侧线和海豹的胡须等,可感知物体运动产生的水动力尾迹。受此启发,仿生流场探测技术克服了光学与声学探测在水下复杂环境中近场感知的局限性,已成为目前的研究热点。首先,对典型水下探测技术的研究现状进行了总结。然后,解释了水下仿生流场探测的原理,总结了基于不同原理设计的仿生流场传感器的研究进展,分析了水动力流场探测方法的研究进展。最后,给出了水下仿生流场探测工作中亟需解决的关键问题,并对未来的研究方向做了进一步展望。     

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。     

海水液压水下作用工具

２１世纪人类将全面进入海洋开发时代,各种海洋水下工程都需要大量的水下作业。对体积小,重量轻、灵活方便、驱动功率双大、高效节能、与环境相容的水下作业工具将是现代水下作业的首选装备。本文在分析比较现有几类水下作用机械工具特点的基础上,着重讨论海水液压水下作用工具的突出优越性,并介绍了近年来国际上关于海水液压水下作业工具的研究和发展情况,以供水下作业工具使用和研究开发工作者参考。     

水下自主机器人水动力预报方法研究

针对水下机器人操纵性优化设计中水动力系数预报问题,在水下机器人水动力预报中引入艇体肥瘦指数概念,确定了水下机器人艇体几何描述的五参数模型。提出采用小波神经网络方法预报水下机器人水动力,确定了神经网络的结构,利用均匀试验设计方法,设计了神经网络的学习样本。研究结果表明,只要确定适当的输入参数,选择适当的学习样本和网络结构,利用小波神经网络方法对水下机器人水动力进行预报可以达到较好的精度。     

水下悬浮隧道结构分析研究进展

长期以来,如何快速跨越广袤的水域一直是世人关注的焦点.在最近几十年里,一种新的跨越海峡、大江、湖泊、水道的交通结构物-水下悬浮隧道吸引了世人的目光.水下悬浮隧道的研究历史虽然短暂,但由于该种结构的新颖性与其独有的优越性与应用潜力,使得世界各国的学者专家为此进行了很多有价值的工作.首先概述水下悬浮隧道的概念、优点及需要研究和解决的关键问题;随后从水下悬浮隧道的隧道管体结构、隧道锚固系统、作用荷载以及锚固基础等几个方面的结构简化模型综述了水下悬浮隧道结构分析的研究现状;最后对水下悬浮隧道的发展方向进行了总结和分析.     

多仿生机器人协同编队捕获策略

机器人的协同编队问题是一个综合性的研究课题,主要包括编队策略及路径规划 2 个阶段。针对单一机器人在未知水下环境中执行任务时能源受限等问题,提出一种基于改进蚁群算法的安全域协商捕捉策略,以解决多仿生机器人系统水下环境中对目标的协同编队捕获问题。机器人随机搜索过程中发现目标后, 利用安全域协商策略,实现目标机器人周围捕获点的分配;采用改进的蚁群算法实现编队过程的路径规划和自适应避障。在不同大小的障碍物环境中进行仿真实验,并与经典的路径规划算法进行对比,实验结果表明： 所提出的策略能够使机器人在复杂的水下障碍物环境中完成高效的协作编队捕捉任务,具备有效性。     

无人自治水下机器人回收缆索打捞用抛锚枪研究与设计

无人自治水下机器人作为一种高技术海洋探测手段,近年来得到了广泛的重视和快速发展。无人自治水下机器人完成测量任务返回水面时,其抛缆机构抛射出一个浮子,浮子上系有用于回收的缆索。文中设计了用于回收浮子打捞锚钩的抛射枪。首先利用计算流体力学软件来计算锚钩的空气阻力系数,然后对抛射体运动进行动力学分析。通过研究锚钩重量、初速度和抛射角等参数对抛射距离的影响,确定锚钩重量和发射初速度等设计参数。在此基础上设计了储能弹簧和抛锚枪总体结构。该枪可实现空仓挂机,具有安全方便、工作可靠的优点。     

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。     

海水液压水下作业工具

２１世纪人类将全面进入海洋开发时代,各种海洋水下工程都需要大量的水下作业。对体积小,重量轻、灵活方便、驱动功率又大、高效节能、与环境相容的水下作业工具将是现代水下作业的首选装备。本文在分析比较现有几类水下作业用机械工具特点的基础上,着重论述海水液压水下作业工具的突出优越性,并介绍近年来国际上关于海水液压水下作业工具的研究和发展情况,以供水下作业工具使用和研究开发工作者参考。     

直流无刷电机驱动的水下电缆绞车系统

水下电缆绞车多采用液压驱动,但液压驱动存在无效动力转换,能源使用率不高,因此直流无刷电机驱动的水下电缆绞车具有实际意义。采用直流无刷电机驱动,不仅提高了水下电缆绞车系统的能源利用率,而且改善了系统的调速性能。与直流有刷电机相比,直流无刷电机可实现充油均压密封,更有利于在水下工作。介绍了直流无刷电机驱动水下电缆绞车的组成、功能及工作原理,针对研制的专用水下直流无刷电机,重点论述了其充油密封原理和工艺,并设计了一种全新的低成本高性能驱动控制电路。该水下电缆绞车系统已初步调试完毕,试验表明各项性能良好,即将投入实际应用。它具有结构简单,工作可靠,成本低的优点,因此在实际工程应用中具有推广意义。