一种超磁机器鱼的设计和游动控制的数值模拟

发布时间：2017-12-19 17:40

  本文关键词：一种超磁机器鱼的设计和游动控制的数值模拟　出处：《大连理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 超磁致伸缩材料 仿生机器鱼 磁场控制 变频率 参数优化

【摘要】：随着科学技术的发展,越来越多的机器人进入工业,农业,军事,医疗和生活等领域中。各种各样的机器人迅速发展,仿生机器鱼就是其典型之一。仿生机器鱼的小型化和微型化是一种发展趋势,因此对其动力系统和控制系统提出更高的要求。超磁机器鱼可以不携带动力系统,并可通过外磁场变化实现控制机器鱼的游动。可见,超磁机器鱼具有很好的发展前景。因此研究仿生超磁机器鱼设计和控制具有重要的科学意义和工程应用价值。本文以合金板模拟鱼体骨架,以超磁材料模拟鱼类肌肉,以外磁场主动变化模拟鱼类的神经控制,建立了一种超磁材料仿生机器鱼模型。借助于外磁场的调节实现控制机器鱼的游动,并采用数值模拟的方法对问题展开研究。主要研究成果包括：考虑了液体粘性,由于流体引起的附加惯性质量和鱼尾尾涡产生的推力等因素,建立问题的基本控制方程以及初边值条件,从而形成封闭的基本问题。在这种超磁材料仿生机器鱼模型的基础上,通过对控制方程的分析和求解,得到一种解析求解方法,半解析方法和数值计算方法。根据真实鱼类神经系统对肌肉纤维控制的肌肉肌电图实验数据和信号,给出几种典型的仿真真实鱼类肌肉收缩规律的外磁场函数用于仿真控制超磁机器鱼。数值模拟结果发现,这种形式的外磁场可提高机器鱼的游动速度和稳定性,同时也说明真实鱼类神经系统控制肌肉收缩方式的合理性。此结论为机器鱼的仿生学设计提供了依据。在此基础上,论文提出一种外磁场变频率控制机器鱼起动和巡游的设想。在机器鱼起动阶段和巡游阶段采用不同外磁场频率和强度的控制,包括在机器鱼起动中外磁场频率随时间变化,从而使得机器鱼起动的速度大幅度提高。研究结果表明,这种方法是可行的和有效的,再次验证了鱼类肌电图形式函数的肌肉收缩规律是合理的。在上述成果的基础上,采用参数优化方法对机器鱼体骨架和肌肉分布进行了优化,得到一种快速起动和游动方式的骨架和肌肉厚度分布曲线,即合金板厚度分布和超磁材料厚度分布规律以及外磁场控制频率。该厚度分布曲线与自然界以用鱼体和尾鳍摆动的方式游动的鱼类的身体特征相吻合,从而揭示了自然界鱼类的身体特征的机理。本文的研究成果不仅为其它机器鱼的设计提供了可靠依据,而且为机器鱼的游动控制提供了一种新的途径。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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本文编号：1308850