超磁仿生機(jī)器魚力學(xué)機(jī)理及數(shù)值模擬.pdf

1、在工業(yè)、國防、石油化工和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中，由于環(huán)境和其它因素的限制，迫切需要各種能在液體介質(zhì)中平穩(wěn)靈活移動(dòng)的新型微小型機(jī)器人。特別是無線驅(qū)動(dòng)并具有很高的機(jī)動(dòng)性和靈活性的機(jī)器人更受人青睞。比如在醫(yī)學(xué)中利用微小型機(jī)器人做精密手術(shù)，能避免對(duì)患者手術(shù)開刀和縫補(bǔ)傷口，將使患者的傷害達(dá)到最小。再比如，在工業(yè)上，微小型機(jī)器人常常被用來維護(hù)工業(yè)管道以及探傷等。隨著智能材料的研制和應(yīng)用，微小型機(jī)器人得到了較快的發(fā)展。超磁致伸縮材料是一種特殊的智能材料，通過外

2、磁場可以達(dá)到無線控制的目的。因此研究和設(shè)計(jì)特殊的仿生超磁機(jī)器魚，成為一個(gè)較好的選擇。然而這類機(jī)器魚驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)和機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。 本文采用合金薄板模擬魚尾骨架，貼在該薄板上的超磁致伸縮材料模擬魚體肌肉，用外磁場來模擬魚的神經(jīng)控制系統(tǒng)，建立了一種利用外磁場驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚的力學(xué)模型。通過研究機(jī)器魚的游動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚游動(dòng)的超磁動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。超磁仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)避免了攜帶動(dòng)力系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的小型化和微型化，并在

3、管道作業(yè)等有著重要的意義。 論文分析了外磁場頻率、魚尾材料參數(shù)和幾何參數(shù)等因素對(duì)魚尾擺動(dòng)所產(chǎn)生的平均驅(qū)動(dòng)力的影響。發(fā)現(xiàn)了外磁場頻率接近魚尾系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，魚尾擺動(dòng)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力達(dá)到一個(gè)較大的峰值。這樣通過調(diào)節(jié)外部磁場頻率可實(shí)現(xiàn)了控制超磁機(jī)器魚游動(dòng)。通過對(duì)魚尾的不同擺動(dòng)模式進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了魚尾的各種擺動(dòng)模態(tài)、魚體游動(dòng)軌跡以及魚尾擺動(dòng)流場尾跡。模擬自然界魚類特征，揭示了自然界金槍魚類，梭魚類和蝴蝶魚類等的游動(dòng)機(jī)理。

4、計(jì)算和分析結(jié)果表明，在外磁場作用下，機(jī)器魚魚尾被激勵(lì)和擺動(dòng)，其擺動(dòng)模態(tài)可以通過調(diào)節(jié)外磁場強(qiáng)度和頻率來控制。在一般情況下當(dāng)外磁場以系統(tǒng)的二階固有頻率工作時(shí)其工作效率最佳。在此情況下魚尾擺動(dòng)產(chǎn)生了推力型反卡門渦街形態(tài)的尾跡渦流。針對(duì)不同的液體媒介或不同的魚尾材料和幾何形狀，最優(yōu)的魚尾擺動(dòng)所對(duì)應(yīng)的最佳外磁場頻率是不同的。應(yīng)該指出魚尾長度對(duì)機(jī)器魚的游動(dòng)也有較大的影響。各階擺動(dòng)模態(tài)都存在一個(gè)最佳魚尾長度，這樣通過改變魚尾的長度，也可以調(diào)整機(jī)器魚游

5、動(dòng)的姿態(tài)，以適應(yīng)具體環(huán)境。借助于此研究和發(fā)現(xiàn)，以及優(yōu)化魚尾長度和外磁場頻率等參數(shù)，提出了機(jī)器魚的一種新的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出前后兩魚尾的新型水下雙尾機(jī)器魚。該仿生機(jī)器魚在外磁場一特定的頻率下向前游動(dòng)，而在另一特定的頻率下向后游動(dòng)。這樣實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)整外部磁場頻率控制機(jī)器魚前后游動(dòng)。在此基礎(chǔ)上考慮非線性阻尼和幾何大變形情況，研究和討論了問題的穩(wěn)態(tài)解和非穩(wěn)態(tài)解。結(jié)合金槍魚和梭子魚的形態(tài)特征，以三種形狀的魚尾為例，它們分別對(duì)應(yīng)矩形參照魚尾、金槍魚月