擺動推進柔性機器魚的設計與實驗研究.pdf

1、魚類以其快速、高效、高機動性吸引了眾多學者的關注,魚類擺動推進機理已成為魚類仿生學的研究熱點。生物學研究表明,魚體生理結構為一種由骨骼,肌肉纖維,膠原蛋白,皮膚等組織共同構成的復雜串并聯(lián)結構。魚類可通過肌肉改變其身體剛度使尾鰭擺動頻率與其身體自然頻率相匹配,從而達到快速高效的游動性能。
　　本文根據(jù)魚體的生理結構,以平面轉(zhuǎn)動鉸鏈連接的‘T’型多剛體模型模擬魚體脊椎,以彈簧、阻尼器的并聯(lián)結構模擬魚體肌肉,建立了具有平面串并聯(lián)結構的柔

2、性魚體數(shù)學模型。以Light hill的“大擺幅細長體理論”為指導,提出了以模擬魚體波包絡線為優(yōu)化目標的柔性魚體剛度的優(yōu)化設計方法。提出了柔性魚體變剛度原理,獲得了不同驅(qū)動頻率與身體剛度的匹配關系,即身體剛度之比k1k2等于驅(qū)動頻率之比的平方2212,從而簡化了不同驅(qū)動頻率下柔性魚體剛度的設計過程,并且為進一步研究柔性魚體變剛度擺動推進機理提供了理論依據(jù)。
　　在基于平面串并聯(lián)柔性魚體模型的基礎上,建立了能夠反映水動力學特性的柔性

3、魚體的Sim Mechanics仿真模型。保持魚體身體剛度不變,采用不同驅(qū)動頻率的激勵信號對魚體特定部位進行振動激勵,對其穩(wěn)態(tài)巡游速度和斯特魯哈數(shù)等游動特性進行研究。仿真結果表明,當驅(qū)動頻率與魚體自然頻率一致或接近時,柔性魚體能夠達到最大游動速度。改變魚體身體剛度,其能夠達到的最大穩(wěn)定速度與驅(qū)動頻率成線性關系,且斯特魯哈數(shù)在0.25~0.35之間,這一特性與生物觀測所獲得的數(shù)據(jù)完全一致。這也驗證了本文所建立的平面串并聯(lián)結構柔性魚體數(shù)學模