液压驱动的波动鳍推进器柔性仿生特性研究

鱼类在水下具有卓越的游动能力，不仅仅体现在非凡的游速上，更以高超的机动性吸引着人们对水下仿生推进的研究逐渐拓展到柔性仿生上来。现有绝大部分水下机器人的仿生推进器，在模拟各种鱼类游动器官的节律运动来产生推进力时，不论是仿生结构上还是仿生运动传动链上都是刚性的，使得拟合出的仿生运动僵硬而低效。本项目以具有特殊游动特性和广阔应用前景的"尼罗河魔鬼"鱼的柔性长鳍为仿生对象，采用以流体为传动介质的液压系统作为波动鳍仿生推进器的驱动系统，研究仿生液压系统驱动下波动鳍推进器的柔性运动规律和柔性动力特性，包括推进波形的节律特性和稳定性，柔性启动和柔性停止特性，以及仿生推进器在流体中的负载自适应特性等。本项目的研究，将为全面了解仿生液压驱动的机理和特性、研制更为高效的柔性水下仿生推进器提供理论指导和分析依据，为水下仿生推进器的进一步实用化研究积累工程经验。

采用MPF模式游动的鱼，其推进器官表现出的柔性波动外形和独特的流体动力特性，对于研制水下航行器的新型波动仿生推进装置具有重要的启发和借鉴意义。.基于已有的研究基础，为提升波动鳍仿生推进器运动形态的光滑性和柔性，以期改善其流体动力特性，实现从“形仿”向“神仿”的提升，本项目从仿生液压系统创新设计、仿生结构和形态优化、流体动力特性计算及原理样机实验等方面开展了波动鳍仿生推进器在液压系统作用下的柔性特性研究。.首先，在对生物鳍面的生理结构和运动形态深入分析的基础上，创新设计了仿生液压系统，包括设计具有自动溢流保护功能的仿生关节，以及可驱动仿生关节作柔性摆动的轴状液压阀，提升了仿生结构和仿生运动的柔性并简化了液压阀路结构。新的仿生液压系统可在仿生关节负载过大时自动溢流，保护仿生结构和液压系统，还可同时驱动多个仿生关节作类似生物鳍条运动的节律摆动，实现近似生物鳍面的柔性波动形态。.其次，开展了液压系统作用下的柔性波动形态的建模与特性分析，研究了实现柔性波动形态的方法。基于数学模型研究了不同液压阀的作用机理和波动形态差别，验证了轴状液压阀设计的合理性。分析了液压系统的柔性控制策略和波动参数耦合特性，实现了仿生波动形态的柔性启动、停止过程。设计了变厚度的仿生关节组合结构，实现了柔性纺锤状波动形态。研究了液压系统驱动下仿生关节的摆动形态和动态特性，阐述了液压系统平衡位形的重要作用，以及在实现水下平稳、高效推进的工程意义。.再次，借助CFD手段对不同波动形态、不同波动参数下仿生鳍面的流体动力特性进行了研究，分析了仿生鳍面的负载自适应形态的作用规律。CFD计算结果进一步验证了仿生液压系统驱动的有效性，表明仿生波动运动的柔性形态、波动参数以及负载自适应特性，对于改善流体动力大小和稳定性具有重要作用。.最后，基于研制的原理样机开展实验，验证了轴状液压阀功能设计的合理性和结构的可行性，检验了仿生关节的自动溢流功能和仿生波形的负载自适应能力，测试了水下运动效果。.本项目共发表学术论文9篇，其中SCI检索2篇，EI检索6篇；申请专利2项，其中已授权1项；培养博士研究生1名，预计2015年6月答辩；此外，还有2篇学术论文在审。