一種超磁機(jī)器魚(yú)的設(shè)計(jì)和游動(dòng)控制的數(shù)值模擬.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)器人進(jìn)入工業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事，醫(yī)療和生活等領(lǐng)域中。各種各樣的機(jī)器人迅速發(fā)展，仿生機(jī)器魚(yú)就是其典型之一。仿生機(jī)器魚(yú)的小型化和微型化是一種發(fā)展趨勢(shì)，因此對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)提出更高的要求。超磁機(jī)器魚(yú)可以不攜帶動(dòng)力系統(tǒng)，并可通過(guò)外磁場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)?？梢?jiàn)，超磁機(jī)器魚(yú)具有很好的發(fā)展前景。因此研究仿生超磁機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)和控制具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　本文以合金板模擬魚(yú)體骨架，以超磁材料模擬魚(yú)

2、類肌肉，以外磁場(chǎng)主動(dòng)變化模擬魚(yú)類的神經(jīng)控制，建立了一種超磁材料仿生機(jī)器魚(yú)模型。借助于外磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)，并采用數(shù)值模擬的方法對(duì)問(wèn)題展開(kāi)研究。主要研究成果包括:考慮了液體粘性，由于流體引起的附加慣性質(zhì)量和魚(yú)尾尾渦產(chǎn)生的推力等因素，建立問(wèn)題的基本控制方程以及初邊值條件，從而形成封閉的基本問(wèn)題。在這種超磁材料仿生機(jī)器魚(yú)模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)控制方程的分析和求解，得到一種解析求解方法，半解析方法和數(shù)值計(jì)算方法。根據(jù)真實(shí)魚(yú)類神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)

3、肌肉纖維控制的肌肉肌電圖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信號(hào)，給出幾種典型的仿真真實(shí)魚(yú)類肌肉收縮規(guī)律的外磁場(chǎng)函數(shù)用于仿真控制超磁機(jī)器魚(yú)。數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種形式的外磁場(chǎng)可提高機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)速度和穩(wěn)定性，同時(shí)也說(shuō)明真實(shí)魚(yú)類神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉收縮方式的合理性。此結(jié)論為機(jī)器魚(yú)的仿生學(xué)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，論文提出一種外磁場(chǎng)變頻率控制機(jī)器魚(yú)起動(dòng)和巡游的設(shè)想。在機(jī)器魚(yú)起動(dòng)階段和巡游階段采用不同外磁場(chǎng)頻率和強(qiáng)度的控制，包括在機(jī)器魚(yú)起動(dòng)中外磁場(chǎng)頻率隨時(shí)間變化，從而使得

4、機(jī)器魚(yú)起動(dòng)的速度大幅度提高。研究結(jié)果表明，這種方法是可行的和有效的，再次驗(yàn)證了魚(yú)類肌電圖形式函數(shù)的肌肉收縮規(guī)律是合理的。在上述成果的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)優(yōu)化方法對(duì)機(jī)器魚(yú)體骨架和肌肉分布進(jìn)行了優(yōu)化，得到一種快速起動(dòng)和游動(dòng)方式的骨架和肌肉厚度分布曲線，即合金板厚度分布和超磁材料厚度分布規(guī)律以及外磁場(chǎng)控制頻率。該厚度分布曲線與自然界以用魚(yú)體和尾鰭擺動(dòng)的方式游動(dòng)的魚(yú)類的身體特征相吻合，從而揭示了自然界魚(yú)類的身體特征的機(jī)理。本文的研究成果不僅為其它機(jī)