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

1、在工業(yè)、國(guó)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(wú)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(kāi)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(lái)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(guò)外

2、磁場(chǎng)可以達(dá)到無(wú)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(yú)，成為一個(gè)較好的選擇。然而這類機(jī)器魚(yú)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(yú)尾骨架，貼在該薄板上的超磁致伸縮材料模擬魚(yú)體肌肉，用外磁場(chǎng)來(lái)模擬魚(yú)的神經(jīng)控制系統(tǒng)，建立了一種利用外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器魚(yú)的力學(xué)模型。通過(guò)研究機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚(yú)游動(dòng)的超磁動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器。超磁仿生機(jī)器魚(yú)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(yú)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(chǎng)頻率、魚(yú)尾材料參數(shù)和幾何參數(shù)等因素對(duì)魚(yú)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(chǎng)頻率接近魚(yú)尾系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，魚(yú)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(guò)調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)頻率可實(shí)現(xiàn)了控制超磁機(jī)器魚(yú)游動(dòng)。通過(guò)對(duì)魚(yú)尾的不同擺動(dòng)模式進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了魚(yú)尾的各種擺動(dòng)模態(tài)、魚(yú)體游動(dòng)軌跡以及魚(yú)尾擺動(dòng)流場(chǎng)尾跡。模擬自然界魚(yú)類特征，揭示了自然界金槍魚(yú)類，梭魚(yú)類和蝴蝶魚(yú)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(chǎng)作用下，機(jī)器魚(yú)魚(yú)尾被激勵(lì)和擺動(dòng)，其擺動(dòng)模態(tài)可以通過(guò)調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)強(qiáng)度和頻率來(lái)控制。在一般情況下當(dāng)外磁場(chǎng)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(yú)尾擺動(dòng)產(chǎn)生了推力型反卡門(mén)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(yú)尾材料和幾何形狀，最優(yōu)的魚(yú)尾擺動(dòng)所對(duì)應(yīng)的最佳外磁場(chǎng)頻率是不同的。應(yīng)該指出魚(yú)尾長(zhǎng)度對(duì)機(jī)器魚(yú)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(yú)尾長(zhǎng)度，這樣通過(guò)改變魚(yú)尾的長(zhǎng)度，也可以調(diào)整機(jī)器魚(yú)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(yú)尾長(zhǎng)度和外磁場(chǎng)頻率等參數(shù)，提出了機(jī)器魚(yú)的一種新的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出前后兩魚(yú)尾的新型水下雙尾機(jī)器魚(yú)。該仿生機(jī)器魚(yú)在外磁場(chǎng)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(guò)調(diào)整外部磁場(chǎng)頻率控制機(jī)器魚(yú)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(wèn)題的穩(wěn)態(tài)解和非穩(wěn)態(tài)解。結(jié)合金槍魚(yú)和梭子魚(yú)的形態(tài)特征，以三種形狀的魚(yú)尾為例，它們分別對(duì)應(yīng)矩形參照魚(yú)尾、金槍魚(yú)月