海豚式空中翻转机理及其在跃水机器人中的应用

In view of the fact that the mechanism of air flipping and twisting of dolphin is not clear at present, and that the existing underwater robots realize leaping water initially but do not yet have the capability of aerial working after the leaping, coupled with the actual needs of ocean areas for aerial operations of leaping water robot and near-surface vehicles, the mechanisms of the air flipping and twisting of dolphin and its application in the leaping water robot are studied in order to solve the problems of maneuverability, safety and water-entry stability to improve the aerial work ability of the leaping water robot. The main research contents include: the kinematics modeling of the air flipping and twisting of dolphin; the dynamics modeling of the air flipping and twisting of dolphin; the modular design method of the bionic body capable of realizing the air flipping and twisting motion; research on the enhancement method of robotic dolphin leaping water performance; research on the fusion design and realization method of air flip module, twist module and leap module of the robotic dolphin; experimental research on the air flipping and twisting of the robotic dolphin. The realization of the research objectives of this project can contribute to the improvement of comprehensive ability of the aerial operations mobility, safety and water-entry stability for the leaping water robots and the near-surface vehicles, and to expand the application field of the existing bionic leaping water robots.

针对目前海豚的空中翻腾和转体运动机理尚不明晰，且现有水下机器人已初步实现跃水但尚不具备跃水后的空中作业能力的事实，加之我国海洋领域对跃水机器人和近水面运载工具可实现近水面作业的实际需求，开展海豚式空中翻转机理及其在跃水机器人中的应用研究，以期解决跃水机器人近水面作业的机动性、安全性和入水的稳定性问题，提升跃水机器人的空中作业能力。主要研究内容包括：海豚空中翻腾和转体运动学模型的建立；海豚空中翻腾和空中转体过程的动力学建模；可实现空中翻腾和转体运动的仿生机构的模块化设计方法；现有机器海豚跃水性能的提升方法；空中翻腾模块、转体模块与机器海豚跃水模块的融合设计与实现方法研究；机器海豚空中翻腾和转体的实验研究等。本项目研究目标的实现，可为跃水机器人和近水面运载工具空中作业的机动性、安全性和入水的稳定性等近水面综合作业能力的提升，拓展现有仿生跃水机器人的应用领域做出贡献。

针对我国海洋领域对跃水机器人和近水面运载工具高机动作业的实际需求，本项目开展了海豚式空中翻转机理及其在跃水机器人中的应用研究，主要研究内容和结果如下：(1) 提出了新型IB-LBM算法并自主研发水动力分析软件。提出LBM法与IBM法相结合的新型IB-LBM算法，自主研发了三维水动力分析软件，可用于海豚游动及跃水行为的水动力性能研究，验证了IB-LBM算法的正确性及软件的有效性。(2) 建立了海豚游动及跃水行为的运动学和动力学模型。分别设计了机器海豚的胸鳍模块、尾鳍模块和身体模块，建立了海豚游动及跃水行为的运动学和动力学模型，以理论模型为依据，研制了包含三个模块的机器海豚样机，并开展了样机游动性能实验。(3) 探索了多尾协同推进对海豚游动及跃水性能提升的促进作用机制。因尾鳍对海豚推进的贡献最大，分别设计了双尾、三尾及多尾的物理模型，进行了多尾协同推进对游动性能及跃水性能的影响研究，探索尾鳍协同对游动及跃水性能的影响机制。(4) 分别研制了摆线推进水下机器人和摆线叶片轮式水陆两栖机器人。提出并研制了互补对称摆线推进器样机，开展了样机平面复合运动的实验研究。在此基础上，将摆线推进水下机器人的高机动性扩展到陆地上，研制了一套解耦式水陆两栖机器人。基于上述研究内容，本项目共发表学术论文13篇，其中SCI收录6篇，EI收录11篇；申请国家发明专利10项，已授权7项；登记软件著作权1项；培养博士研究生2人，硕士研究生5人，已毕业3人。