超磁仿生魚起動(dòng)機(jī)理研究.pdf

1、隨著科學(xué)的進(jìn)步，在各領(lǐng)域中，機(jī)器人的運(yùn)用和研制越來(lái)越受到重視，特別是能在液體中游動(dòng)的新型管道微型機(jī)器魚。該機(jī)器魚可在微小的空間內(nèi)不受環(huán)境影響的靈活工作。比如在有毒物質(zhì)或被污染管道內(nèi)作業(yè)等。因此對(duì)此進(jìn)一步研究有重要意義。
　　 本文采用合金薄板模擬魚尾骨架，貼在該薄板的超磁致伸縮材料模擬魚體肌肉，并以外磁場(chǎng)模擬神經(jīng)控制魚體擺動(dòng)。經(jīng)過(guò)魚類快速起動(dòng)的仿生學(xué)分析和研究建立了該問(wèn)題的一個(gè)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)模型的分析和簡(jiǎn)化建立了機(jī)器魚游動(dòng)的動(dòng)

2、力學(xué)方程，給出了動(dòng)力學(xué)方程所需滿足的初始條件和邊界條件。
　　 在討論上述問(wèn)題中，首先考慮簡(jiǎn)單模型，即線性模型。采用分離變量法把問(wèn)題歸結(jié)為空間坐標(biāo)和時(shí)間的兩個(gè)函數(shù)問(wèn)題。其中一個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為特征值和特征向量問(wèn)題，而另一個(gè)問(wèn)題歸結(jié)為關(guān)于時(shí)間的二階常微分方程問(wèn)題。利用特征向量(振型)的正交歸一關(guān)系，將所得到的解進(jìn)行疊加，從而獲得問(wèn)題的解析解表達(dá)式。第二步討論與幾何大變形和非線性阻尼相關(guān)的非線性模型。利用上述本征解和非線性動(dòng)力方程以及小參

3、數(shù)展開方法，得到了一種遞推公式，形成一種求解非線性問(wèn)題的數(shù)值方法。通過(guò)數(shù)值分析，揭示了仿生機(jī)器魚的游動(dòng)機(jī)理。分析和研究了材料和幾何參數(shù)以及環(huán)境因素等對(duì)機(jī)器魚起動(dòng)的影響。結(jié)果表明，仿生機(jī)器魚平均驅(qū)動(dòng)力并不是隨著外界頻率的增加而單調(diào)增加，而是存在一個(gè)最佳頻率，在此外界頻率下平均驅(qū)動(dòng)力最大，因而可設(shè)計(jì)出該魚最佳起動(dòng)模式。數(shù)值結(jié)果還發(fā)現(xiàn)仿生機(jī)器魚在起動(dòng)過(guò)程中最佳模式是從低階模態(tài)到高階模態(tài)的快速過(guò)渡。這個(gè)規(guī)律可實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚快速?gòu)撵o止到高速游動(dòng)的過(guò)渡