基于超冗余串并联机构的变刚度仿生摆动推进装置机理及其关键技术研究

Previous biological experiments have showed that fish use their muscles to stiffen their bodies to improve the efficiency of oscillatory propulsion of their caudal fins. Inspired by this biological evidence, and considering the principle that the stiffness of a redundant serial-parallel mechanism can be tuned by adjusting internal forces, we propose a biomimetic oscillatory propulsor with variable stiffness using hyper redundant serial-parallel mechanisms to mimic a tuna, and expect to improve its swimming speed, stability and efficiency by tuning stiffness. In this research, we try to explore the matching relationship between stiffness, compliance center, stability, dynamic anisotropy and propulsive efficiency, and reveal the propulsion mechanism of the oscillatory propulsor with variable stiffness. On the basis of modal analysis,considering fluid-structure interaction, we will use the theories of modal space control to solve the above problems. In particular, in order to implement the antagonist stiffness control of the propulsor, we will use the modes of the redundant actuating system with respect to the Eigen values with zeros to regulate internal forces. This is a valuable theoretical and practical exploration for the development of oscillatory propulsor with high quality of swimming speed, stability, and efficiency.

鱼体力学特性实验研究表明，鱼体肌肉系统可通过改变刚度来提高尾鳍摆动推进效率。受此启发，本申请以金枪鱼为仿生对象，借鉴"冗余驱动串并联机构可以通过规划其内力改变刚度"这一机构学原理，提出了基于超冗余串并联机构的变刚度仿生摆动推进装置机理及其关键技术研究方案，以期借助刚度调整来改进摆动推进装置的快速性、稳定性和推进效率。研究中，拟解决摆动推进装置刚度调整对推进效率的影响、摆动推进装置柔顺中心对推进效率的影响、动态各向异性设计与推进机构稳定性的匹配关系等一系列问题，从而揭示基于超冗余串并联机构的变刚度仿生摆动推进机构的推进机理。本研究以流体环境下的模态分析为基础，采用模态空间控制方法解决以上问题。特别是，拟利用力冗余驱动系统中所特有的零特征值模态进行内力调整实现主动刚度控制。这是为开发高效、快速、稳定的摆动推进器所进行的理论基础与实践方面的有益探索。

鱼体力学特性实验研究表明，鱼体肌肉系统可通过改变刚度来提高尾鳍摆动推进效率。受此启发，以金枪鱼为仿生对象，借鉴“冗余驱动串并联机构可以通过规划其内力改变刚度”这一机构学原理，提出了基于超冗余串并联机构的变刚度仿生摆动推进装置机理及其关键技术研究方案，以期借助刚度调整来改进摆动推进装置的快速性、稳定性和推进效率。在柔性仿生鱼摆动推进机理方面，本研究利用大摆幅细长体理论、迭代多体动力学、黏弹性梁理论以及计算流体力学浸入边界法建立了柔性鱼体的游动模型，以复模态分析为手段，揭示了柔性鱼体阻抗分布、振动模态、鱼体波与游动特性之间的联系，提出了“共振减阻”的学术思想，这为游动减阻指明了新的方向——从“外部减阻”转向“内部减阻”；提出了采用行波系数来区分BCF鱼类游动模式的新的分类方法；提出了一种基于气压调节变刚度原理的柔性仿生机器鱼；提出了柔性仿生机器鱼动量反作用推进方式。在基于超冗余串并联机构的变刚度仿生摆动推进装置的研制方面，获得了冗余驱动串并联机构几何参数（包括综合柔顺中心）对摆动推进效率的影响、仿生摆动推进装置的稳定性取决于其阻抗特性、仿生摆动推进装置的单变量变刚度控制方法等学术成果，初步揭示了该装置的变刚度推进机理；提出了单自由度转动冗余驱动并联机构变刚度设计方法；提出了平面超冗余串并联机构的单变量调节变刚度原理；提出了一种基于气动人工肌肉的套叠式超冗余串并联变刚度摆动推进装置。这是为开发高效、快速、稳定的摆动推进器所进行的理论基础与实践方面的有益探索。