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Computational and experimental study on dynamic behavior of underwater robots propelled by bionic undulating fins 被引量:12
1
作者 ZHOU Han HU TianJiang +2 位作者 XIE HaiBin ZHANG DaiBing SHEN LinCheng 《Science China(Technological Sciences)》 SCIE EI CAS 2010年第11期2966-2971,共6页
Bionic undulating fins, inspired by undulations of the median and/or paired fin (MPF) fish, have a bright prospective for un-derwater missions with higher maneuverability, lower noisy, and higher efficiency. In the pr... Bionic undulating fins, inspired by undulations of the median and/or paired fin (MPF) fish, have a bright prospective for un-derwater missions with higher maneuverability, lower noisy, and higher efficiency. In the present study, a coupled computa-tional fluid dynamics (CFD) model was proposed and implemented to facilitate numerical simulations on hydrodynamic ef-fects of the bionic undulating robots. Hydrodynamic behaviors of underwater robots propelled by two bionic undulating fins were computationally and experimentally studied within the three typical desired movement patterns, i.e., marching, yawing and yawing-while-marching. Moreover, several specific phenomena in the bionic undulation mode were unveiled and dis-cussed by comparison between the CFD and experimental results under the same kinematics parameter sets. The contributed work on the dynamic behavior of the undulating robots is of importance for study on the propulsion mechanism and control algorithms. 展开更多
关键词 bionic underwater robot CFD dynamic behavior undulating fins
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Bionic asymmetry:from amiiform fish to undulating robotic fins 被引量:7
2
作者 HU TianJiang SHEN LinCheng LOW K. H. 《Chinese Science Bulletin》 SCIE EI CAS 2009年第4期562-568,共7页
Similar to bionic non-smooth which has been successfully applied in anti-resistance and anti-adhesion, bionic asymmetry is also an inherent property of biological systems and is worth exploring for con-ceivable pragma... Similar to bionic non-smooth which has been successfully applied in anti-resistance and anti-adhesion, bionic asymmetry is also an inherent property of biological systems and is worth exploring for con-ceivable pragmatic applications. Therefore, bionic asymmetry for undulations is of main interest in this paper. We initially investigate bionic asymmetry with a case study of the undulating robotic fin, RoboGnilos, which evolved from the long dorsal fin of Gymnarchus niloticus in the amiiform mode. Since the performance of the pre-existing undulating fins is hardly satisfactory, we obtain bionic in-spirations of undulatory asymmetry through observations and measurements on the specimen of G. niloticus, to improve upon the performance. Consequently, the newly acquired innovation for bionic asymmetry is incorporated into the previously derived kinematics model, and also applied to the experimental prototype. Both computational and experimental results verify that bionic asymmetric undulation generates better propulsion performance (in terms of linear velocity and efficiency) than the traditional symmetric modes with the same undulatory parameters. 展开更多
关键词 生物电子装置 机器人鳍状物 波动鳍 波动推进力
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波动鳍水陆两栖机器人的设计与运动性能评估
3
作者 李亚鑫 杜亮 +1 位作者 王宇 杨淼 《机械设计与研究》 CSCD 北大核心 2023年第3期58-64,共7页
两栖机器人通常采用复合式推进器以适应复杂多变的水陆环境。为降低推进器机械设计及运动控制的复杂性,提出一款波动鳍驱动的水陆两栖机器人。通过为波动鳍配置机械及运动参数,该机器人可在同一套推进器驱动下轻松实现水下、陆地两种运... 两栖机器人通常采用复合式推进器以适应复杂多变的水陆环境。为降低推进器机械设计及运动控制的复杂性,提出一款波动鳍驱动的水陆两栖机器人。通过为波动鳍配置机械及运动参数,该机器人可在同一套推进器驱动下轻松实现水下、陆地两种运动模式且切换简单。根据波动鳍推进性能对比实验,鳍面选定3 mm厚度丁腈橡胶作为动力产生的柔性材料,该推进器鳍面不仅为机器人在陆地站立提供了支撑作用,还为水陆运动提供了充足的动力。通过搭建机器人样机,整机运动性能实验验证了该两栖机器人可完成水下及不同类型路面的多自由度运动,因此具有较好的灵活性与机动性。 展开更多
关键词 波动鳍 两栖机器人 仿生机器人 性能评估
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Locomotion and Depth Control of Robotic Fish with Modular Undulating Fins 被引量:1
4
作者 Kin Huat Low 《International Journal of Automation and computing》 EI 2006年第4期348-357,共10页
This paper presents an environmental-friendly robotic system mimicking the undulating fins of a fish.To mimic the actual flexible fin of real fish,a fin-like mechanism with a series of connecting linkages is modeled a... This paper presents an environmental-friendly robotic system mimicking the undulating fins of a fish.To mimic the actual flexible fin of real fish,a fin-like mechanism with a series of connecting linkages is modeled and attached to the robotic fish,by virtue of a specially designed strip.Each link is able to turn and slide with respect to the adjacent link.These driving linkages are then used to form a mechanical fin consisting of several fin segments,which are able to produce undulations,similar to those produced by the actual fish fins.Owing to the modular and re-configurable design of the mechanical fin,we are able to construct biomimetic robotic fish with various swimming modes by fin undulations.Some qualitative and workspace observations by experiments of the robotic fish are shown and discussed. 展开更多
关键词 fin mechanisms locomotion depth control WORKSPACE undulating fins modular and re-configurable
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长鳍波动推进流向涡结构PIV试验研究 被引量:3
5
作者 张军 白亚强 +2 位作者 翟树成 张国平 徐良浩 《实验流体力学》 CSCD 北大核心 2017年第6期15-21,共7页
鱼类的高效、低噪声、高机动游动为水下航行体推进技术研究提供了很好的启发与借鉴。尼罗河魔鬼鱼依靠长背鳍波动推进,可以在主体基本不变形下巡游,还可以通过改变波动方向敏捷地倒退或前进。对于这种推进模式国内外已经开展了一些仿生... 鱼类的高效、低噪声、高机动游动为水下航行体推进技术研究提供了很好的启发与借鉴。尼罗河魔鬼鱼依靠长背鳍波动推进,可以在主体基本不变形下巡游,还可以通过改变波动方向敏捷地倒退或前进。对于这种推进模式国内外已经开展了一些仿生推进水动力实验研究,对流动涡结构也有一些数值计算研究,但对流动涡结构试验研究开展很少,因而数值计算方法也缺乏充分的验证。本文针对MPF(Median and/or Paired Fin,中央/对鳍)模式长鳍波动推进,采用相位同步PIV技术测量了系泊状态下首、中、尾部及尾流不同相位横截面流场,采用相位平均方法计算获得平均速度场,进一步提取分析了流向涡涡结构特征及其随相位的演变规律,为长鳍波动推进涡结构数值预报和水动力机理揭示提供了试验依据与支撑。 展开更多
关键词 仿生推进 波动鳍 PIV 涡结构 流向涡
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水下观测机器人推进器的动态结构仿生设计研究 被引量:3
6
作者 包海默 赵天琦 +3 位作者 冯鸣 许若麟 安轩昂 宋梅萍 《包装工程》 CAS 北大核心 2023年第2期41-47,共7页
目的为了更好地实现水下机器人在海洋牧场观测环境中的低速稳定航行,设计一种水下观测机器人的仿生推进器。方法结合结构仿生原理提出动态结构仿生设计方法,具体过程包括选择仿生对象、动态结构特征提取、生物特征与产品匹配、产品集成... 目的为了更好地实现水下机器人在海洋牧场观测环境中的低速稳定航行,设计一种水下观测机器人的仿生推进器。方法结合结构仿生原理提出动态结构仿生设计方法,具体过程包括选择仿生对象、动态结构特征提取、生物特征与产品匹配、产品集成创新设计及设计评价。以水下观测机器人推进器为例,重点模仿蓝斑条尾魟胸鳍波动推进的形态与结构,分步骤完成仿生推进器造型和功能的动态结构仿生设计。结果通过流体动力学仿真评估,得到波动鳍表面压力分布情况,结果表明波动鳍推进能够产生一定的推力,验证了动态结构仿生设计方法的可行性。结论该仿生推进器具有低速稳定航行的特点,能够有效提升海洋牧场的观测能力,动态结构仿生设计方法对仿生推进器的结构设计具有借鉴意义。 展开更多
关键词 动态结构仿生 波动鳍 仿生推进器 水下观测机器人 流体动力学仿真
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电机与智能材料复合驱动仿生鳍推进器研究 被引量:1
7
作者 何建慧 《轻工机械》 CAS 2017年第5期16-20,24,共6页
提出一款电机与智能材料复合驱动的仿生鳍推进器。首先分析仿生鳍推进器的机械结构和控制电路;根据鳍条和机构运动过程中的受力情况,计算了凸轮电机所需输出扭矩大小;构建形状记忆合金丝驱动的鳍条弯曲变形热动力学模型;实验测试了鳍条... 提出一款电机与智能材料复合驱动的仿生鳍推进器。首先分析仿生鳍推进器的机械结构和控制电路;根据鳍条和机构运动过程中的受力情况,计算了凸轮电机所需输出扭矩大小;构建形状记忆合金丝驱动的鳍条弯曲变形热动力学模型;实验测试了鳍条幅度分别按照逐渐增大运动和等幅运动(从根部至端部)时推进器的平均推进速度和平均推进力随鳍条运动频率的变化情况。结果显示:仿生鳍能够实现波动、摆动以及复杂三维柔性运动,满足推进、转弯以及稳定性调节等多种需求。 展开更多
关键词 仿生系统 智能材料 形状记忆合金 波动鳍 鳍条 凸轮 曲柄滑块机构
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鳍条倾角对仿生鳍推进力大小的影响
8
作者 章永华 《中北大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2016年第6期606-613,共8页
为研究仿生鳍条倾斜角度对波动鳍推进力产生的影响,建立了鱼鳍运动学和动力学方程.通过实验测量技术,比较分析了仿生鳍在等鳍条长度和等鳍面面积两种情况下,鳍条倾角分别为30°,40°,45°,50°,60°,70°,80... 为研究仿生鳍条倾斜角度对波动鳍推进力产生的影响,建立了鱼鳍运动学和动力学方程.通过实验测量技术,比较分析了仿生鳍在等鳍条长度和等鳍面面积两种情况下,鳍条倾角分别为30°,40°,45°,50°,60°,70°,80°和90°时推进力的变化规律,同时测量了鳍条倾角为45°时不同运动学参数下两种模式的推进力.并从流体动力学角度,初步解释了两种情况下仿生鳍推进力存在差异的原因.结果表明:在等鳍条长度条件下,平均推进力随着鳍条倾角的增大而增加;在等鳍面面积条件下,平均推进力随着鳍条倾角增大而减小.在相同条件下,等鳍面面积仿生鳍产生的平均推进力始终大于等鳍条长度情况.该结果为仿生波动鳍推进器结构优化提供参考. 展开更多
关键词 波动鳍 鳍条倾角 推进力 计算流体动力学
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输入扰动对波动鳍推进性能影响的研究 被引量:1
9
作者 何建慧 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2020年第1期18-30,共13页
输入扰动对波动鳍推进性能影响是一个新兴的研究领域。本文分析了高频率、小幅度和短波长的正弦波形叠加于波动鳍上时对波动鳍推进力的影响。建立运动学模型,利用四面体网格对计算区域进行划分,采用非耦合隐式求解器求解非定常不可压缩... 输入扰动对波动鳍推进性能影响是一个新兴的研究领域。本文分析了高频率、小幅度和短波长的正弦波形叠加于波动鳍上时对波动鳍推进力的影响。建立运动学模型,利用四面体网格对计算区域进行划分,采用非耦合隐式求解器求解非定常不可压缩N-S方程和连续性方程。给出计算条件,并对算法给予验证。比较等波幅和变波幅两种正弦扰动波形下,波动鳍的无量纲阻力系数、阻力系数均值以及涡量场随周期(0.05 s、0.1 s、0.3 s、0.5 s、0.8 s)、幅度(0.0008 m、0.001 m、0.0015 m)和波长(0.002 m、0.008 m、0.012 m)的变化情况,从涡动力学角度对该影响进行解释。结果显示:输入扰动不仅影响了波动鳍前缘涡的传递,并对波动鳍周边及尾迹区域漩涡数量和强度产生了改变。除在特定条件外,输入扰动对波动鳍推进力产生负面影响,变波幅扰动的影响要大于等波幅情况。该研究可为波动鳍选择合适参数的输入扰动以提高推进力提供参考。 展开更多
关键词 扰动 波动鳍 推进性能 周期 幅度 波长
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液压驱动仿生推进器运动特性的数值仿真 被引量:1
10
作者 徐海军 潘存云 +1 位作者 张代兵 谢海斌 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第11期1475-1480,共6页
奇鳍/对鳍(MPF)模式的波动鳍有着许多出众的优点,其推进性能受自身结构及波形变化规律的影响较大。根据液压驱动的仿生推进器运动学模型,从理论上分析了液压参数对波形参数的影响。在Matlab软件中,搭建了仿生推进器液压系统的运动仿真模... 奇鳍/对鳍(MPF)模式的波动鳍有着许多出众的优点,其推进性能受自身结构及波形变化规律的影响较大。根据液压驱动的仿生推进器运动学模型,从理论上分析了液压参数对波形参数的影响。在Matlab软件中,搭建了仿生推进器液压系统的运动仿真模型,研究了液压系统参数对多个波动鳍波形参数之间关联影响,提出了消除波形参数关联变化的补偿方法。研究了仿生推进器在启动、停止过程中波形参数的变化规律。开展了液压驱动的仿生推进器装置的相关试验,验证了前面分析得出的结论。对仿生推进器运动特性的研究,可以进一步全面地了解其动态特性,对深入研究波动鳍的推进机理、提高仿生推进器的性能等具有重要的意义。 展开更多
关键词 机械设计 液压驱动 波动鳍 仿生推进器 运动特性
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Braking Performance of a Biomimetic Squid-Like Underwater Robot 被引量:13
11
作者 Md. Mahbubar Rahman Sinpei Sugimori Hiroshi Miki Risa Yamamoto Yugo Sanada Yasuyuki Toda 《Journal of Bionic Engineering》 SCIE EI CSCD 2013年第3期265-273,共9页
In this study, the braking performance of the undulating fin propulsion system ofa biomimetic squid-like underwater robot was investigated through free run experiment and simulation of the quasi-steady mathematical mo... In this study, the braking performance of the undulating fin propulsion system ofa biomimetic squid-like underwater robot was investigated through free run experiment and simulation of the quasi-steady mathematical model. The quasi-steady equa- tions of motion were solved using the measured and calculated hydrodynamic forces and compared with free-run test results. Various braking strategies were tested and discussed in terms of stopping ability and the forces acting on the stopping stage. The stopping performance of the undulating fin propulsion system turned out to be excellent considering the short stopping time and short stopping distance. This is because of the large negative thrust produced by progressive wave in opposite direction. It was confirmed that the undulating fin propulsion system can effectively perform braking even in complex underwater explorations. 展开更多
关键词 biomimetics squid-like underwater robot undulating fin propulsion system braking performance motion simulation
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仿生蓝点魟胸鳍在两种波动模式下推进力的比较 被引量:7
12
作者 章永华 何建慧 贾来兵 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第18期166-176,共11页
依靠鱼鳍波动推进的鱼类通常具备极强的游动稳定性和机动性能,在这些鱼类中,根据鱼鳍波状运动形成行波波幅包络线形式的不同,鱼鳍波动模式主要有摆幅从前往后逐渐增大和摆幅保持不变两种。设计出一种仿生蓝点魟胸鳍模型,通过试验研究模... 依靠鱼鳍波动推进的鱼类通常具备极强的游动稳定性和机动性能,在这些鱼类中,根据鱼鳍波状运动形成行波波幅包络线形式的不同,鱼鳍波动模式主要有摆幅从前往后逐渐增大和摆幅保持不变两种。设计出一种仿生蓝点魟胸鳍模型,通过试验研究模型在两种波动模式下频率、摆幅和波长等运动学参数对产生推进力大小的差异。测试结果显示,在两种波动模式下,推进力基本上随着波动频率、摆幅和波长的增大而增加;在相同运动学参数下,摆幅逐渐增大模式产生的推进力始终大于等摆幅模式;为进一步深入研究并揭示其中的缘由,随后建立仿生蓝点魟胸鳍的二维模型,利用有限体积法对建立的模型及计算域进行离散,基于流体动力学对两种波动模式下仿生鳍推进力进行计算,给出与试验条件相似的运动学参数下鱼鳍在两种波动模式下推进力大小随之变化情况的数值计算结果,绘制出压力分布等值线图和涡量场分布情况,并从涡动力学角度解释试验现象和揭示其原理及内在规律。该研究成果为仿生蓝点魟胸鳍选择合理的推进模式,高效、可靠地完成预定任务提供理论参考。 展开更多
关键词 波动模式 仿生鳍 运动学 仿真 计算流体动力学
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基于CPG模型的推进器运动控制方法 被引量:1
13
作者 董翔 王硕 +1 位作者 曹志强 谭民 《华中科技大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第S1期1-3,共3页
为了生成仿生长鳍波动推进器的多种运动模式,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)模型的运动控制方法.利用改进的Matsuoka振荡器,建立了一个含有10个神经振荡器的CPG模型,通过调节CPG模型的输入参数协调控制推进器各鳍条的摆动,得到多种... 为了生成仿生长鳍波动推进器的多种运动模式,提出了一种基于中枢模式发生器(CPG)模型的运动控制方法.利用改进的Matsuoka振荡器,建立了一个含有10个神经振荡器的CPG模型,通过调节CPG模型的输入参数协调控制推进器各鳍条的摆动,得到多种运动模式,基于CPG模型建立了长鳍波动推进器的运动控制器.通过在FPGA中实现CPG控制器,实现长鳍波动推进器的实时在线控制.通过推进器的游动实验,验证了控制器的有效性. 展开更多
关键词 仿生长鳍波动推进器 中枢模式发生器 运动控制 现场可编程门阵列实现
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