擺動(dòng)推進(jìn)柔性機(jī)器魚的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、魚類以其快速、高效、高機(jī)動(dòng)性吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注,魚類擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)理已成為魚類仿生學(xué)的研究熱點(diǎn)。生物學(xué)研究表明,魚體生理結(jié)構(gòu)為一種由骨骼,肌肉纖維,膠原蛋白,皮膚等組織共同構(gòu)成的復(fù)雜串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。魚類可通過(guò)肌肉改變其身體剛度使尾鰭擺動(dòng)頻率與其身體自然頻率相匹配,從而達(dá)到快速高效的游動(dòng)性能。
　　本文根據(jù)魚體的生理結(jié)構(gòu),以平面轉(zhuǎn)動(dòng)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(jié)構(gòu)模擬魚體肌肉,建立了具有平面串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的柔

2、性魚體數(shù)學(xué)模型。以Light hill的“大擺幅細(xì)長(zhǎng)體理論”為指導(dǎo),提出了以模擬魚體波包絡(luò)線為優(yōu)化目標(biāo)的柔性魚體剛度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。提出了柔性魚體變剛度原理,獲得了不同驅(qū)動(dòng)頻率與身體剛度的匹配關(guān)系,即身體剛度之比k1k2等于驅(qū)動(dòng)頻率之比的平方2212,從而簡(jiǎn)化了不同驅(qū)動(dòng)頻率下柔性魚體剛度的設(shè)計(jì)過(guò)程,并且為進(jìn)一步研究柔性魚體變剛度擺動(dòng)推進(jìn)機(jī)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(chǔ)上,建立了能夠反映水動(dòng)力學(xué)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(dòng)頻率的激勵(lì)信號(hào)對(duì)魚體特定部位進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì),對(duì)其穩(wěn)態(tài)巡游速度和斯特魯哈數(shù)等游動(dòng)特性進(jìn)行研究。仿真結(jié)果表明,當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率與魚體自然頻率一致或接近時(shí),柔性魚體能夠達(dá)到最大游動(dòng)速度。改變魚體身體剛度,其能夠達(dá)到的最大穩(wěn)定速度與驅(qū)動(dòng)頻率成線性關(guān)系,且斯特魯哈數(shù)在0.25~0.35之間,這一特性與生物觀測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)完全一致。這也驗(yàn)證了本文所建立的平面串并聯(lián)結(jié)構(gòu)柔性魚體數(shù)學(xué)模