發(fā)布時(shí)間：2020-03-27 20:54

【摘要】：生物實(shí)驗(yàn)表明,魚類通過調(diào)節(jié)身體剛度來改變自身的固有頻率以匹配身體擺動(dòng)頻率,從而達(dá)到提高游動(dòng)性能的目的。受此原理啟發(fā),學(xué)者們研制了幾種變剛度柔性仿生機(jī)器魚。但是,目前變剛度仿生機(jī)器魚存在以下問題需要解決:變剛度范圍小,無法達(dá)到真魚水平;不能在變剛度的同時(shí)保持魚體流線型外形;無法實(shí)現(xiàn)剛度在線調(diào)節(jié)。為了解決以上問題,本文提出了一種主被動(dòng)剛度解耦的變剛度柔性仿生機(jī)器魚,開展了串并聯(lián)機(jī)構(gòu)整體與局部變剛度方法、平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)的主被動(dòng)剛度耦合與解耦、預(yù)張力主動(dòng)剛度柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)、大范圍變剛度柔性仿生機(jī)器魚等研究工作,探究了仿生機(jī)器魚剛度與游動(dòng)性能之間的匹配規(guī)律。在分析生物魚體內(nèi)部構(gòu)造的基礎(chǔ)上,明確了其串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式及內(nèi)力主動(dòng)變剛度機(jī)理,建立了串并聯(lián)機(jī)構(gòu)魚體剛度模型與粘彈性連續(xù)體魚體剛度模型的對應(yīng)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),對于串并聯(lián)機(jī)構(gòu)魚體剛度模型,無論采用整體變剛度方法還是局部變剛度方法,都可以引起機(jī)構(gòu)整體固有頻率的變化。鑒于整體變剛度機(jī)構(gòu)存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性以及機(jī)械效率低的問題,在工程上采用簡潔高效的局部變剛度方法具有更大的優(yōu)勢。因此,在保證機(jī)器魚游動(dòng)連續(xù)性的前提下,按照局部變剛度原理,提出了采用單節(jié)平面轉(zhuǎn)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)合粘彈性材料魚尾的局部變剛度柔性仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)方案。建立了平面轉(zhuǎn)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度與機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)之間的解析式,該解析式揭示了平面轉(zhuǎn)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)通過內(nèi)力調(diào)節(jié)剛度的變剛度機(jī)理,同時(shí)得到內(nèi)力改變剛度最大化和剛度隨機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)位姿變化最小的幾何參數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)了內(nèi)力變剛度的離線規(guī)劃,避免了在線控制的困難。平面轉(zhuǎn)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛度由主動(dòng)剛度與被動(dòng)剛度兩部分組成。主動(dòng)剛度與機(jī)構(gòu)內(nèi)力相關(guān),通過調(diào)節(jié)內(nèi)力可主動(dòng)地改變機(jī)構(gòu)剛度。被動(dòng)剛度與彈性元件的剛度和機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)相關(guān),是機(jī)構(gòu)的固有剛度。機(jī)構(gòu)的初始剛度取決于被動(dòng)剛度,主動(dòng)剛度與被動(dòng)剛度之比越大,機(jī)構(gòu)的變剛度能力就越大。然而,受機(jī)構(gòu)彈性元件自身形變和工作空間的物理限制,很難在降低被動(dòng)剛度的同時(shí),還能保證主動(dòng)剛度調(diào)整范圍的最大化。這種主、被動(dòng)剛度的耦合特性限制了機(jī)構(gòu)的變剛度能力,無法實(shí)現(xiàn)大范圍變剛度。在常規(guī)結(jié)構(gòu)形式下,平面轉(zhuǎn)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)無論采用線性彈性元件還是非線性彈性元件都無法解決主被動(dòng)剛度耦合問題。為解決主被動(dòng)剛度耦合問題,提出了由兩種平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)合而成的主被動(dòng)剛度解耦機(jī)構(gòu),以擴(kuò)大變剛度范圍。主被動(dòng)剛度解耦機(jī)構(gòu)的主動(dòng)剛度和被動(dòng)剛度可以分別由兩種平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)配置。兩種平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有各自的彈性元件,配置主動(dòng)剛度的平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用剛度大的彈性元件以增加變化的主動(dòng)剛度,配置被動(dòng)剛度的平面轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用剛度小的彈性元件以降低固有的被動(dòng)剛度,從而通過增加主被動(dòng)剛度之比以增加變剛度倍數(shù)。其中配置主動(dòng)剛度的機(jī)構(gòu)有兩種方案,一種是交叉支腿形式的平面轉(zhuǎn)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu),一種是預(yù)張力主動(dòng)剛度柔性關(guān)節(jié)。其中,基于預(yù)張力主動(dòng)剛度柔性關(guān)節(jié)的主被動(dòng)剛度解耦機(jī)構(gòu)的剛度隨預(yù)張力的增加而增加,更符合生物魚變剛度特性,同時(shí)其結(jié)構(gòu)和變剛度調(diào)節(jié)方式更簡單。最后,提出了一種基于預(yù)張力主動(dòng)剛度柔性關(guān)節(jié)的大范圍變剛度柔性仿生機(jī)器魚,并研制了仿生機(jī)器魚樣機(jī)。魚體主被動(dòng)剛度解耦機(jī)構(gòu)由硅膠柔性外殼和外殼內(nèi)部的預(yù)張力主動(dòng)剛度柔性關(guān)節(jié)組成。預(yù)張力主動(dòng)剛度柔性關(guān)節(jié)提供主動(dòng)剛度,硅膠柔性外殼提供被動(dòng)剛度。同時(shí)為了使機(jī)器魚具有生物魚的柔性以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性游動(dòng),主被動(dòng)剛度解耦機(jī)構(gòu)和柔性硅膠魚尾串聯(lián)組成局部變剛度柔性仿生機(jī)器魚。變剛度性能測試實(shí)驗(yàn)表明,仿生機(jī)器魚剛度能夠隨預(yù)張力變化而改變。仿生機(jī)器魚游動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)表明,調(diào)節(jié)機(jī)器魚變剛度關(guān)節(jié)的預(yù)張力可使其達(dá)到最大游速、最大推力和最大擺幅。也就是說,當(dāng)機(jī)器魚剛度與擺動(dòng)頻率匹配時(shí),機(jī)器魚游動(dòng)性能提高,并可以獲得預(yù)張力、擺動(dòng)頻率與游動(dòng)性能的剛度匹配曲線。對于本文所研制的機(jī)器魚,其預(yù)張力可在0到14 N內(nèi)范圍內(nèi)調(diào)節(jié),機(jī)器魚變剛度倍數(shù)最大可達(dá)16倍,并可與0.8 Hz到2.4 Hz范圍內(nèi)的擺動(dòng)頻率相匹配。根據(jù)游動(dòng)性能的剛度匹配曲線制定了機(jī)器魚最大游速的剛度調(diào)節(jié)策略,實(shí)現(xiàn)了滿足期望游速的剛度在線調(diào)節(jié)和匹配。
【圖文】：

滿足期望游速的剛度在線匹配和調(diào)節(jié)。該仿生機(jī)器魚為研游動(dòng)性能之間的關(guān)系提供有效的實(shí)驗(yàn)手段。機(jī)器魚研究現(xiàn)狀 游動(dòng)模式的游動(dòng)生物的推進(jìn)模式一般可分為 BCF（a body and/or caPF（median and paired fin）游動(dòng)模式兩類[17-22]。采用 BC過程中，，波動(dòng)身體并擺動(dòng)尾鰭，產(chǎn)生沿身體向尾鰭傳播的尾鰭來產(chǎn)生推力[17]，如圖 1-1 所示。采用 MPF 游動(dòng)模式的側(cè)對鰭來產(chǎn)生推力。BCF 游動(dòng)模式魚類通常相對于 MPF 游度進(jìn)行巡航。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上有 85%的魚類是采用 BCF 游主要方式。除 BCF 游動(dòng)模式和 MPF 游動(dòng)模式外，魚類還有推進(jìn)、滑行等。由于 BCF 游動(dòng)模式的魚類具有游動(dòng)速度快因此我們把仿生機(jī)器魚的研究重點(diǎn)放在 BCF 游動(dòng)模式上[1

圖 1-2 BCF 游動(dòng)模式[5]Fig. 1-2 BCF swimming modes[5]科 b) 亞湽科 c) 湽科 d) 鮪科illiform b) Subcarangiform c) Carangiform d) Thun魚的游動(dòng)性能評價(jià)指標(biāo)價(jià)指標(biāo)包括游速、推力、擺幅、游動(dòng)步長、斯特魯哈數(shù)和動(dòng)性能指標(biāo)既適用于生物魚也適用于仿生機(jī)器魚。的游速分為絕對游速和相對游速，其絕對速度的單位為米將絕對速度與魚體長度相聯(lián)系，以體長/秒（BL/s）為單位速高達(dá) 11 BL/ s，鯖魚的游速高達(dá) 25 BL/s[17]。遺憾的是，法復(fù)制生物魚類運(yùn)動(dòng)的游動(dòng)性能。例如，Anderson 研制的UV），它仿照鮪科金槍魚，最大速度為 1.2 m/s （0.5 BL魚科機(jī)器魚的最大速度 0.7 BL/s[28]。此外，機(jī)器魚的游速可過測量機(jī)器魚在一段距離內(nèi)的游動(dòng)，記錄并分析機(jī)器魚游規(guī)律。首先在機(jī)器魚魚體不同的關(guān)鍵部位設(shè)定標(biāo)定點(diǎn)，然
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：Q811;TP242

【參考文獻(xiàn)】

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2 王松,王田苗,梁建宏,孫鍵,林果;機(jī)器魚輔助水下考古實(shí)驗(yàn)研究[J];機(jī)器人;2005年02期

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本文編號：2603379