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基于SMA的仿生柔性鱼鳍三维运动机理与实验研究

颜钦  
【摘要】:鱼类是地球上最早的脊椎动物,在大自然中经过了五亿多年的进化,在水环境中形成了高效、高机动、低干扰的游动特征。受到鱼类优越的推进性能的启发,仿鱼水下推进技术慢慢成为研究领域的热点课题,近十年来,特别是鱼鳍柔性、灵活的复杂运动在鱼类快速、高效、高机动的游动中起到的作用,引起了越来越多学者的关注。研究新型的仿生柔性鱼鳍,为未来的水下推进器提供新的思路和参考,具有重要的研究价值。 本论文以锦鲤的胸鳍作为柔性鱼鳍研究的对象,围绕柔性胸鳍的三维运动实现机制,开展了胸鳍的仿生学实验研究、SMA柔性驱动器的水下驱动机理及仿生柔性胸鳍的机构设计研究、仿生柔性胸鳍的三维运动机理研究和仿生柔性胸鳍的水动力实验研究等工作。论文的主要研究内容和成果如下 (1)对胸鳍进行仿生学实验研究,得到胸鳍的形态参数和鳍条的力学特性,同时分析了胸鳍肌肉活动的EMG特征,并通过运动学研究从胸鳍复杂的运动中提取出五种基本运动姿态,发现了胸鳍运动的时间非对称性。通过对胸鳍的形态学研究,得出了胸鳍的外形参数和组成结构,分析了胸鳍鳍条的弹性模量和抗弯刚度的分布情况。分析了锦鲤胸鳍的骨骼结构和鳍条肌肉活动产生的EMG信号特征,得出了胸鳍运动拍打的规律,对仿生鳍条的设计给予了启发,也为仿生柔性胸鳍的研制提供了参考和依据。通过实验观测并采用高速摄影技术记录胸鳍的运动姿态,综合分析了胸鳍在活鱼进行直线巡游、转弯、上浮、下沉、后退等动作时基本特征,通过大量的图像处理,从胸鳍复杂的三维运动中提取出了胸鳍运动的五种基本姿态,分别为:自由、扩展、弯曲、卷曲和波动。 (2)基于SMA优越的性能提出SMA水下柔性驱动器的实现机理,并设计出了仿生柔性胸鳍样机,并剖析了仿生柔性胸鳍的五种基本运动姿态的具体实现。对SMA准静态热/力耦合特性及其本构模型进行了研究,并重点研究了SMA丝在恒应力下的热/力耦合特性。基于SMA输出力大、变形大、功重比(能量密度)高、低电压驱动和寿命长的特性,提出了新型的SMA水下驱动器的实现机理并设计了两个实现方法:丝状SMA柔性驱动器和片状SMA柔性驱动器,丝状SMA柔性驱动器采用SMA丝“拉-拉”偏转的驱动方式来实现,具有结构简单、驱动电流小(1A左右)、响应速度快(仿真中最快温度响应频率为6-10Hz)的特点,片状SMA柔性驱动器采用“弯-弯”偏转的方式来实现,具有结构刚度较大、输出力大的特点。将两种SMA柔性驱动器的优点结合,设计出了仿生柔性胸鳍样机,并剖析了仿生柔性胸鳍的五种基本姿态的具体实现。 (3)对SMA柔性鳍条进行了运动学建模和分析,同时对仿生柔性胸鳍的三维运动机理进行了研究,并设计和研制出了仿生胸鳍的控制系统。对SMA柔性鳍条的二维运动进行了运动学建模,并对其的三种驱动方式分别进行了探讨,得到了SMA柔性鳍条运动的空间描述方程;基于SMA柔性驱动器的特点,针对仿生柔性胸鳍的姿态控制提出了矩阵控制法,阐述了仿生柔性胸鳍的三维运动机理;对仿生柔性胸鳍的控制系统进行了设计研究,分别设计出了仿生柔性胸鳍的硬件控制系统和软件控制系统,为仿生柔性胸鳍的运动控制实现和性能测试实验研究提供了基础和研究平台。 (4)采用实验测量的方法对SMA柔性驱动器的运动性能和仿生柔性胸鳍的水动力进行了研究,得出了各个运动参数对水动力的影响规律。研究了加热电流、摆动频率对丝状SMA柔性驱动器的运动性能的影响,结果表明,SMA柔性驱动器的最大摆动角度随着加热电流增大而线性增大,随着摆动频率的增大而减小。在所考察的几种丝径的SMA柔性驱动器中,丝径为0.15mm的性能最为突出,最大摆动角度达到89.7。,最大摆动频率达到5Hz,与数值计算分析的结果几乎一致;对仿生柔性胸鳍的基本姿态进行了实验研究,实验得到,仿生柔性胸鳍在扩展运动中扩张度随加热电流近似成线性增加的关系,最大扩张度为1.45;在仿生柔性胸鳍平躺着进行弯曲和波动运动的水动力测量实验时发现,弯曲运动中产生的侧向力和偏航力矩较大,波动运动中产生的升力和翻滚力矩较大,力的量级大小都在0.08N-0.12N之间,力矩的量级大小在0.01Nm-0.05Nm之间。采用正交试验设计的方法,对仿生柔性胸鳍在不同的击水摆幅、拍动频率、击水俯仰角、摆动非对称系数和“模拟鱼体”移动速度情况下产生的水动力进行了研究,实验结果表明:仿生柔性胸鳍的推进力受摆角幅值、击水俯仰角和“模拟鱼体”的移动速度的影响较大,升力受击水俯仰角的影响较大,随着击水俯仰角的增大而线性减小,摆动非对称系数对侧向力的影响较大,当摆动非对称系数增大时,侧向力随之增大,偏航力矩受击水俯仰角和“模拟鱼体”的移动速度影响较大,而摆动频率、“模拟鱼体”的移动速度和非对称系数对翻滚力矩的影响较大,俯仰力矩主要受非对称系数的影响较大,产生的各个方向的力和力矩的量级大小分别在0.5N左右和0.1Nm左右,同时,采用极差分析法得出了获取目标水动力时的最佳运动参数组合。


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