一種超磁機器魚的設(shè)計和游動控制的數(shù)值模擬.pdf

1、隨著科學技術(shù)的發(fā)展，越來越多的機器人進入工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事，醫(yī)療和生活等領(lǐng)域中。各種各樣的機器人迅速發(fā)展，仿生機器魚就是其典型之一。仿生機器魚的小型化和微型化是一種發(fā)展趨勢，因此對其動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提出更高的要求。超磁機器魚可以不攜帶動力系統(tǒng)，并可通過外磁場變化實現(xiàn)控制機器魚的游動?？梢姡艡C器魚具有很好的發(fā)展前景。因此研究仿生超磁機器魚設(shè)計和控制具有重要的科學意義和工程應(yīng)用價值。
　　本文以合金板模擬魚體骨架，以超磁材料模擬魚

2、類肌肉，以外磁場主動變化模擬魚類的神經(jīng)控制，建立了一種超磁材料仿生機器魚模型。借助于外磁場的調(diào)節(jié)實現(xiàn)控制機器魚的游動，并采用數(shù)值模擬的方法對問題展開研究。主要研究成果包括:考慮了液體粘性，由于流體引起的附加慣性質(zhì)量和魚尾尾渦產(chǎn)生的推力等因素，建立問題的基本控制方程以及初邊值條件，從而形成封閉的基本問題。在這種超磁材料仿生機器魚模型的基礎(chǔ)上，通過對控制方程的分析和求解，得到一種解析求解方法，半解析方法和數(shù)值計算方法。根據(jù)真實魚類神經(jīng)系統(tǒng)對

3、肌肉纖維控制的肌肉肌電圖實驗數(shù)據(jù)和信號，給出幾種典型的仿真真實魚類肌肉收縮規(guī)律的外磁場函數(shù)用于仿真控制超磁機器魚。數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種形式的外磁場可提高機器魚的游動速度和穩(wěn)定性，同時也說明真實魚類神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉收縮方式的合理性。此結(jié)論為機器魚的仿生學設(shè)計提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，論文提出一種外磁場變頻率控制機器魚起動和巡游的設(shè)想。在機器魚起動階段和巡游階段采用不同外磁場頻率和強度的控制，包括在機器魚起動中外磁場頻率隨時間變化，從而使得

4、機器魚起動的速度大幅度提高。研究結(jié)果表明，這種方法是可行的和有效的，再次驗證了魚類肌電圖形式函數(shù)的肌肉收縮規(guī)律是合理的。在上述成果的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)優(yōu)化方法對機器魚體骨架和肌肉分布進行了優(yōu)化，得到一種快速起動和游動方式的骨架和肌肉厚度分布曲線，即合金板厚度分布和超磁材料厚度分布規(guī)律以及外磁場控制頻率。該厚度分布曲線與自然界以用魚體和尾鰭擺動的方式游動的魚類的身體特征相吻合，從而揭示了自然界魚類的身體特征的機理。本文的研究成果不僅為其它機