摆动推进柔性机器鱼的设计与实验研究

摘要

鱼类以其快速、高效、高机动性吸引了众多学者的关注,鱼类摆动推进机理已成为鱼类仿生学的研究热点。生物学研究表明,鱼体生理结构为一种由骨骼,肌肉纤维,胶原蛋白,皮肤等组织共同构成的复杂串并联结构。鱼类可通过肌肉改变其身体刚度使尾鳍摆动频率与其身体自然频率相匹配,从而达到快速高效的游动性能。
　　本文根据鱼体的生理结构,以平面转动铰链连接的‘T’型多刚体模型模拟鱼体脊椎,以弹簧、阻尼器的并联结构模拟鱼体肌肉,建立了具有平面串并联结构的柔性鱼体数学模型。以Light hill的“大摆幅细长体理论”为指导,提出了以模拟鱼体波包络线为优化目标的柔性鱼体刚度的优化设计方法。提出了柔性鱼体变刚度原理,获得了不同驱动频率与身体刚度的匹配关系,即身体刚度之比k1k2等于驱动频率之比的平方2212,从而简化了不同驱动频率下柔性鱼体刚度的设计过程,并且为进一步研究柔性鱼体变刚度摆动推进机理提供了理论依据。
　　在基于平面串并联柔性鱼体模型的基础上,建立了能够反映水动力学特性的柔性鱼体的Sim Mechanics仿真模型。保持鱼体身体刚度不变,采用不同驱动频率的激励信号对鱼体特定部位进行振动激励,对其稳态巡游速度和斯特鲁哈数等游动特性进行研究。仿真结果表明,当驱动频率与鱼体自然频率一致或接近时,柔性鱼体能够达到最大游动速度。改变鱼体身体刚度,其能够达到的最大稳定速度与驱动频率成线性关系,且斯特鲁哈数在0.25~0.35之间,这一特性与生物观测所获得的数据完全一致。这也验证了本文所建立的平面串并联结构柔性鱼体数学模型以及鱼体刚度设计方法的正确性。最后,采用粘弹性材料制作了柔性机器鱼,通过实验研究验证了柔性鱼体驱动频率与其自然频率的匹配关系。

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第1章 绪 论

1. 1 课题来源背景及研究的目的意义

1. 2 柔性鱼摆动推进的研究概述

1. 3 国内外研究现状及分析

1. 4 本论文主要研究内容

第2章 串并联柔性鱼体模型的建立及参数确定

2.1引言

2.2 鱼类的串并联生理结构

2.3 平面串并联鱼体模型的结构参数

2.4 平面串并联鱼体模型的刚度

2.5本章小结

第3章 柔性鱼SimMechanics模型的仿真分析

3.1引言

3.2 柔性鱼仿真模型的配置参数

3.3 稳态游动柔性鱼的受力分析

3.4柔性鱼仿真模型的建立

3.5柔性鱼仿真结果的分析

3.6 本章小结

第4章 柔性机器鱼的实验及其结果分析

4.1引言

4.2 柔性机器鱼的实验原理

4.3 柔性机器鱼的实验方案

4.4柔性机器鱼的实验结果分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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