SMA驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚的尾鰭和噴射推進(jìn)性能及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、仿生機(jī)器魚作為魚類游動(dòng)機(jī)理和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)，為研制新型的水下推進(jìn)器提供了新的思路，有著重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。水下生物的推進(jìn)方式主要可分為三類：尾鰭擺動(dòng)式、胸鰭波動(dòng)式和噴射推進(jìn)式。目前，研制的仿生機(jī)器魚多模擬前兩類推進(jìn)方式，而少有模擬噴射推進(jìn)的。此外，隨著智能材料的出現(xiàn)，將智能材料應(yīng)用于仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)成為一種趨勢(shì)。SMA是智能材料的一種，具有輸出應(yīng)力、應(yīng)變大和驅(qū)動(dòng)電壓低的優(yōu)點(diǎn)，適宜作為仿生機(jī)器魚的驅(qū)動(dòng)材料。本文將以SMA作為驅(qū)動(dòng)

2、材料，一方面模擬魚類尾鰭擺動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)一種仿生尾鰭推進(jìn)器，另一方面模擬墨魚噴射推進(jìn)機(jī)制設(shè)計(jì)一種仿墨魚噴射推進(jìn)器，并分別設(shè)計(jì)兩種仿生機(jī)器魚以驗(yàn)證其可行性。
　　本文首先在借鑒魚類尾鰭結(jié)構(gòu)和動(dòng)作機(jī)制的基礎(chǔ)上研制了一種SMA驅(qū)動(dòng)的仿生尾鰭，該仿生尾鰭在電流的驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)大幅度雙向柔性彎曲擺動(dòng)，具有仿生效果好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)作無(wú)噪聲的優(yōu)點(diǎn)。為分析其驅(qū)動(dòng)特性，在綜合了其力學(xué)模型、SMA的熱力學(xué)模型和本構(gòu)模型等模型的基礎(chǔ)上建立了其驅(qū)動(dòng)模型。由驅(qū)動(dòng)

3、模型得出當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流介于某一特定區(qū)間時(shí)，仿生尾鰭的彎曲擺角與其驅(qū)動(dòng)電流之間呈近似線性關(guān)系，并得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，為仿生尾鰭擺角的控制提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　為進(jìn)一步研究仿生尾鰭的推進(jìn)性能，采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)三維仿生尾鰭的柔性彎曲擺動(dòng)進(jìn)行了CFD仿真和計(jì)算，仿真結(jié)果表明仿生尾鰭擺動(dòng)不僅產(chǎn)生周期性波動(dòng)的推進(jìn)力，同時(shí)還產(chǎn)生周期性波動(dòng)的側(cè)向力，并且側(cè)向力的波動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于推進(jìn)力的波動(dòng)幅值。為消除側(cè)向力的波動(dòng)，提出一種雙尾鰭對(duì)稱擺動(dòng)的推進(jìn)

4、方式。對(duì)其進(jìn)行了CFD仿真和計(jì)算，仿真結(jié)果表明雙尾鰭對(duì)稱擺動(dòng)不僅有效抑制了側(cè)向力的波動(dòng)，而且還對(duì)推進(jìn)力起到了增強(qiáng)作用，即雙尾鰭產(chǎn)生的推進(jìn)力大于兩個(gè)獨(dú)立單尾鰭產(chǎn)生的推進(jìn)力之和。此外，對(duì)單尾鰭擺動(dòng)和雙尾鰭擺動(dòng)時(shí)周圍流體的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分布特征以及流場(chǎng)的三維渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，研究了尾鰭擺動(dòng)的推進(jìn)機(jī)理以及雙尾鰭擺動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)耦合作用。隨后，搭建了力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)，分別對(duì)單尾鰭擺動(dòng)和雙尾鰭擺動(dòng)的推進(jìn)力和側(cè)向力進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真的正確性

5、。
　　本課題組在對(duì)墨魚噴射推進(jìn)機(jī)制分析的基礎(chǔ)上，借鑒墨魚外套膜的結(jié)構(gòu)研制了一種SMA驅(qū)動(dòng)的仿生外套膜結(jié)構(gòu)，并藉此實(shí)現(xiàn)了仿生噴射推進(jìn)。為進(jìn)一步提高仿生外套膜的動(dòng)作性能，本文對(duì)其布絲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出一種V型布絲結(jié)構(gòu)仿生外套膜。為分析其動(dòng)作和推進(jìn)性能，在綜合了其幾何形變模型、力學(xué)模型、腔內(nèi)壓強(qiáng)模型以及SMA絲的熱力學(xué)模型和本構(gòu)模型等模型的基礎(chǔ)上建立了其動(dòng)作理論模型。利用該模型計(jì)算了仿生外套膜的動(dòng)作幅值及推進(jìn)力，并研究了布絲角度對(duì)動(dòng)

6、作幅值的影響，得出了最優(yōu)布絲角度。隨后，利用所搭建的力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)對(duì)仿生噴射推進(jìn)器的推進(jìn)性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論模型的正確性。
　　最后，分別研制了基于仿生尾鰭推進(jìn)和基于仿生噴射推進(jìn)的機(jī)器魚，并研制了具有自主游動(dòng)功能的機(jī)器魚控制系統(tǒng)，為機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)自主游動(dòng)提供了平臺(tái)。進(jìn)行了機(jī)器魚的游動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器魚均可實(shí)現(xiàn)直線游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎游動(dòng)以及按預(yù)定軌跡的自主游動(dòng)。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明雙尾鰭推進(jìn)有效的克服了單尾鰭推進(jìn)時(shí)機(jī)器魚的