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主被動變剛度解耦機構及其在柔性仿生機器魚中的應用

發(fā)布時間:2020-03-27 20:54
【摘要】:生物實驗表明,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頻率,從而達到提高游動性能的目的。受此原理啟發(fā),學者們研制了幾種變剛度柔性仿生機器魚。但是,目前變剛度仿生機器魚存在以下問題需要解決:變剛度范圍小,無法達到真魚水平;不能在變剛度的同時保持魚體流線型外形;無法實現(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剛度解耦的變剛度柔性仿生機器魚,開展了串并聯(lián)機構整體與局部變剛度方法、平面并聯(lián)機構的主被動剛度耦合與解耦、預張力主動剛度柔性關節(jié)設計、大范圍變剛度柔性仿生機器魚等研究工作,探究了仿生機器魚剛度與游動性能之間的匹配規(guī)律。在分析生物魚體內(nèi)部構造的基礎上,明確了其串并聯(lián)的結構形式及內(nèi)力主動變剛度機理,建立了串并聯(lián)機構魚體剛度模型與粘彈性連續(xù)體魚體剛度模型的對應關系。研究發(fā)現(xiàn),對于串并聯(lián)機構魚體剛度模型,無論采用整體變剛度方法還是局部變剛度方法,都可以引起機構整體固有頻率的變化。鑒于整體變剛度機構存在的結構復雜性以及機械效率低的問題,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,在保證機器魚游動連續(xù)性的前提下,按照局部變剛度原理,提出了采用單節(jié)平面轉動冗余并聯(lián)機構結合粘彈性材料魚尾的局部變剛度柔性仿生機器魚設計方案。建立了平面轉動冗余并聯(lián)機構剛度與機構幾何參數(shù)之間的解析式,該解析式揭示了平面轉動冗余并聯(lián)機構通過內(nèi)力調(diào)節(jié)剛度的變剛度機理,同時得到內(nèi)力改變剛度最大化和剛度隨機構動態(tài)位姿變化最小的幾何參數(shù)。從而實現(xiàn)了內(nèi)力變剛度的離線規(guī)劃,避免了在線控制的困難。平面轉動冗余并聯(lián)機構的剛度由主動剛度與被動剛度兩部分組成。主動剛度與機構內(nèi)力相關,通過調(diào)節(jié)內(nèi)力可主動地改變機構剛度。被動剛度與彈性元件的剛度和機構的幾何參數(shù)相關,是機構的固有剛度。機構的初始剛度取決于被動剛度,主動剛度與被動剛度之比越大,機構的變剛度能力就越大。然而,受機構彈性元件自身形變和工作空間的物理限制,很難在降低被動剛度的同時,還能保證主動剛度調(diào)整范圍的最大化。這種主、被動剛度的耦合特性限制了機構的變剛度能力,無法實現(xiàn)大范圍變剛度。在常規(guī)結構形式下,平面轉動冗余并聯(lián)機構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剛度耦合問題。為解決主被動剛度耦合問題,提出了由兩種平面轉動機構復合而成的主被動剛度解耦機構,以擴大變剛度范圍。主被動剛度解耦機構的主動剛度和被動剛度可以分別由兩種平面轉動機構進行單獨配置。兩種平面轉動機構具有各自的彈性元件,配置主動剛度的平面轉動機構采用剛度大的彈性元件以增加變化的主動剛度,配置被動剛度的平面轉動機構采用剛度小的彈性元件以降低固有的被動剛度,從而通過增加主被動剛度之比以增加變剛度倍數(shù)。其中配置主動剛度的機構有兩種方案,一種是交叉支腿形式的平面轉動冗余并聯(lián)機構,一種是預張力主動剛度柔性關節(jié)。其中,基于預張力主動剛度柔性關節(jié)的主被動剛度解耦機構的剛度隨預張力的增加而增加,更符合生物魚變剛度特性,同時其結構和變剛度調(diào)節(jié)方式更簡單。最后,提出了一種基于預張力主動剛度柔性關節(jié)的大范圍變剛度柔性仿生機器魚,并研制了仿生機器魚樣機。魚體主被動剛度解耦機構由硅膠柔性外殼和外殼內(nèi)部的預張力主動剛度柔性關節(jié)組成。預張力主動剛度柔性關節(jié)提供主動剛度,硅膠柔性外殼提供被動剛度。同時為了使機器魚具有生物魚的柔性以實現(xiàn)連續(xù)性游動,主被動剛度解耦機構和柔性硅膠魚尾串聯(lián)組成局部變剛度柔性仿生機器魚。變剛度性能測試實驗表明,仿生機器魚剛度能夠隨預張力變化而改變。仿生機器魚游動性能實驗表明,調(diào)節(jié)機器魚變剛度關節(jié)的預張力可使其達到最大游速、最大推力和最大擺幅。也就是說,當機器魚剛度與擺動頻率匹配時,機器魚游動性能提高,并可以獲得預張力、擺動頻率與游動性能的剛度匹配曲線。對于本文所研制的機器魚,其預張力可在0到14 N內(nèi)范圍內(nèi)調(diào)節(jié),機器魚變剛度倍數(shù)最大可達16倍,并可與0.8 Hz到2.4 Hz范圍內(nèi)的擺動頻率相匹配。根據(jù)游動性能的剛度匹配曲線制定了機器魚最大游速的剛度調(diào)節(jié)策略,實現(xiàn)了滿足期望游速的剛度在線調(diào)節(jié)和匹配。
【圖文】:

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

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圖 1-2 BCF 游動模式[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魚的游動性能評價指標價指標包括游速、推力、擺幅、游動步長、斯特魯哈數(shù)和動性能指標既適用于生物魚也適用于仿生機器魚。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 11 BL/ s,鯖魚的游速高達 25 BL/s[17]。遺憾的是,法復制生物魚類運動的游動性能。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魚科機器魚的最大速度 0.7 BL/s[28]。此外,機器魚的游速可過測量機器魚在一段距離內(nèi)的游動,記錄并分析機器魚游規(guī)律。首先在機器魚魚體不同的關鍵部位設定標定點,然
【學位授予單位】:哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2018
【分類號】:Q811;TP242

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 崔祚;姜洪洲;何景峰;佟志忠;;BCF仿生魚游動機理的研究進展及關鍵技術分析[J];機械工程學報;2015年16期

2 王松,王田苗,梁建宏,孫鍵,林果;機器魚輔助水下考古實驗研究[J];機器人;2005年02期

相關博士學位論文 前1條

1 楊鋼;氣動人工肌肉位置伺服系統(tǒng)研究及其應用[D];華中科技大學;2004年

相關碩士學位論文 前1條

1 顧興士;氣壓調(diào)節(jié)變剛度柔性仿生機器魚機理及實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年



本文編號:2603379

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