SMA驅(qū)動仿生機器魚的尾鰭和噴射推進性能及其實驗研究.pdf

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

2、材料，一方面模擬魚類尾鰭擺動機制設(shè)計一種仿生尾鰭推進器，另一方面模擬墨魚噴射推進機制設(shè)計一種仿墨魚噴射推進器，并分別設(shè)計兩種仿生機器魚以驗證其可行性。
　　本文首先在借鑒魚類尾鰭結(jié)構(gòu)和動作機制的基礎(chǔ)上研制了一種SMA驅(qū)動的仿生尾鰭，該仿生尾鰭在電流的驅(qū)動下可實現(xiàn)大幅度雙向柔性彎曲擺動，具有仿生效果好、結(jié)構(gòu)簡單和動作無噪聲的優(yōu)點。為分析其驅(qū)動特性，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)動模型。由驅(qū)動

3、模型得出當(dāng)驅(qū)動電流介于某一特定區(qū)間時，仿生尾鰭的彎曲擺角與其驅(qū)動電流之間呈近似線性關(guān)系，并得到了實驗的驗證，為仿生尾鰭擺角的控制提供了理論和實驗基礎(chǔ)。
　　為進一步研究仿生尾鰭的推進性能，采用計算流體力學(xué)方法對三維仿生尾鰭的柔性彎曲擺動進行了CFD仿真和計算，仿真結(jié)果表明仿生尾鰭擺動不僅產(chǎn)生周期性波動的推進力，同時還產(chǎn)生周期性波動的側(cè)向力，并且側(cè)向力的波動幅值遠(yuǎn)大于推進力的波動幅值。為消除側(cè)向力的波動，提出一種雙尾鰭對稱擺動的推進

4、方式。對其進行了CFD仿真和計算，仿真結(jié)果表明雙尾鰭對稱擺動不僅有效抑制了側(cè)向力的波動，而且還對推進力起到了增強作用，即雙尾鰭產(chǎn)生的推進力大于兩個獨立單尾鰭產(chǎn)生的推進力之和。此外，對單尾鰭擺動和雙尾鰭擺動時周圍流體的速度場、壓力場的分布特征以及流場的三維渦結(jié)構(gòu)進行了分析，研究了尾鰭擺動的推進機理以及雙尾鰭擺動時的流場耦合作用。隨后，搭建了力學(xué)性能測試平臺，分別對單尾鰭擺動和雙尾鰭擺動的推進力和側(cè)向力進行了測試，實驗結(jié)果驗證了仿真的正確性

5、。
　　本課題組在對墨魚噴射推進機制分析的基礎(chǔ)上，借鑒墨魚外套膜的結(jié)構(gòu)研制了一種SMA驅(qū)動的仿生外套膜結(jié)構(gòu)，并藉此實現(xiàn)了仿生噴射推進。為進一步提高仿生外套膜的動作性能，本文對其布絲結(jié)構(gòu)進行了改進，提出一種V型布絲結(jié)構(gòu)仿生外套膜。為分析其動作和推進性能，在綜合了其幾何形變模型、力學(xué)模型、腔內(nèi)壓強模型以及SMA絲的熱力學(xué)模型和本構(gòu)模型等模型的基礎(chǔ)上建立了其動作理論模型。利用該模型計算了仿生外套膜的動作幅值及推進力，并研究了布絲角度對動

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)性能測試平臺對仿生噴射推進器的推進性能進行了測試，實驗結(jié)果驗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和基于仿生噴射推進的機器魚，并研制了具有自主游動功能的機器魚控制系統(tǒng)，為機器魚實現(xiàn)自主游動提供了平臺。進行了機器魚的游動實驗，實驗結(jié)果表明機器魚均可實現(xiàn)直線游動、轉(zhuǎn)彎游動以及按預(yù)定軌跡的自主游動。此外，實驗結(jié)果還表明雙尾鰭推進有效的克服了單尾鰭推進時機器魚的