1、 212 機(jī) 器 人 2007 年 5 月 性遞增 (如圖 7 所示 . 所建立的魚鰭運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如 式 ( 18 所示 , ( 19 式為相應(yīng)的振幅變化規(guī)律 . ( y ( x, z, t = A ( x, z ×sin 2 A ( x, z = xz x 圖中推力的曲線呈現(xiàn)出有規(guī)律的 4 個(gè)周期變化 . 這 說明在仿生魚鰭波動(dòng)過程中 ,推力是不斷變化的 , 而 且這一變化過程同樣顯現(xiàn)了周期性 . 從圖中得出平 - 4 均推進(jìn)力為 31 97 × 10 N. 這一結(jié)論較好地符合先前 16 文獻(xiàn)中有關(guān)刀魚推進(jìn)力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . - t ( 18 T ( 19 式中 A 為振幅

2、,為波長 , T 為周期 . 7. 2 條件設(shè)置 為了計(jì)算和顯示魚鰭波動(dòng)推進(jìn)力的周期變化規(guī) 律 ,這里采用了 fluent中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和用戶自定義 函數(shù) (UDF . 計(jì)算過程所需的參數(shù)值和一些條件設(shè) 置在表 1 中給出 . 表 2 給出的是物理模型特征參數(shù)和 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的取值 . 所有的計(jì)算在 Intel奔騰 D 雙核 處理器上完成 ,計(jì)算時(shí)間為 48 h. 表 1 仿真計(jì)算初始條件設(shè)置 Table 1 I n iti a l cond ition s for si m ula tion 參數(shù)含義 : 求解器 離散化方法 時(shí)間步 時(shí)間步長度 游動(dòng)速度 最大迭代次數(shù) 四面體單元數(shù)目 取值 :

3、 非耦合隱式 一階迎風(fēng) Simp le算法 1000 01 001 s 01 06 m / s 50 1, 040, 379 圖 9 魚鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)推進(jìn)力隨時(shí)間變化 Fig . 9 The change of fin undulatory motion generated thrust w ith tim e 為了更加形象地說明問題 ,我們給出了 t = 01 26 s 和 t = 01 78 s時(shí)刻的仿生魚鰭表面壓力分布圖 , 如圖 10 所示 . 表 2 仿生魚鰭推進(jìn)器參數(shù)設(shè)置 Table 2 Param eters of the robotic f i n propulsor 仿生魚鰭特征

4、參數(shù) : S MA 薄板對(duì)數(shù) (對(duì) S MA 薄板間隔 (mm S MA 薄板長度 (mm S MA 薄板寬度 (mm S MA 薄板厚度 (mm 9 14 100 10 01 4 200 ( a t = 01 26 s 魚鰭長度 L (mm 仿生魚鰭控制輸入量 : 頻率 f ( Hz 波長 /L (mm 振幅 A (mm 計(jì)算結(jié)果 : 推進(jìn)力 (N 4 2 A =z ( b t = 01 78 s 31 97 × 10 - 4 圖 10 魚鰭表面壓力分布圖 Fig . 10 Pressure distribution at fin surface 7. 3 結(jié)果分析 圖 9 顯示了

5、仿生魚鰭推進(jìn)力隨時(shí)間的變化關(guān) 系 ,由于僅計(jì)算了 4 個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)推力的情況 , 所以 圖中深色部分為高壓區(qū) , 淺色部分為低壓區(qū) . 越 靠近魚鰭頂端 , 表面壓力絕對(duì)值越大 , 上下表面壓差 第 29 卷第 3 期 章永華等 : N iTi形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的仿生魚鰭的研究 213 也越大 . 這種現(xiàn)象的發(fā)生是由仿生魚鰭特有的結(jié)構(gòu) 和運(yùn)動(dòng)方式?jīng)Q定的 . 離端部越近 , 魚鰭的波動(dòng)擺幅則 越大 , 被魚鰭加速的流體越多 , 流體反作用于魚鰭表 面的力也就越大 . 同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn) , 魚鰭在 Y 方向產(chǎn) 生的合力近似為 0; 而在 Z 方向的合力并非為 0 (約 占推進(jìn)力的 3 % . 但是對(duì)于

6、圖 3 所示的推進(jìn)器而言 , 左右兩對(duì)魚鰭在 Z 方向的合力將相互抵消 , 因此僅 剩下 X 方向的推進(jìn)力起主導(dǎo)作用 . 數(shù)值計(jì)算的結(jié)果 進(jìn)一步驗(yàn)證了仿生魚鰭推進(jìn)力的理論推導(dǎo)過程中所 做的一些必要假設(shè)的合理性 . the IEEE International Conference on Robotics and Automation C . Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2001. 2356 - 2362. 6 Low K H, W illy A. Development and initial investigation of NTU robotic fish wit

7、h modular flexible fins A . Proceedings of the IEEE International Conference on Mechatronics & Automation C . Pisca2 taway, NJ, USA: IEEE, 2005. 958 - 963. 7 Malcolm A. The Mac Iver Lab W ebsite DB /OL . http: / /www. neuromech. northwestern. edu / index . shtm l, 2005 - 01 /2006 - 07 - 10. 8 9

8、胡天江 ,李非 ,沈林成 . “ 尼羅河魔鬼 ” 長背鰭波動(dòng)包絡(luò)線的提 取算法 J . 國防科技大學(xué)學(xué)報(bào) , 2005, 27 ( 6 : 67 - 72. 謝海斌 ,沈林成 , 胡天江 . “ 尼羅河魔鬼 ” 柔性長鰭運(yùn)動(dòng)曲面建 模與仿真 J . 國防科技大學(xué)學(xué)報(bào) , 2005, 27 ( 5 : 62 - 66. 8 結(jié)論 ( Conclusion 仿生魚鰭的研究是當(dāng)前水下仿生推進(jìn)器研究中 的一大熱點(diǎn) , 在最近幾年內(nèi)引起越來越多學(xué)者的興 趣和關(guān)注 . 本文選擇了典型的基于柔長魚鰭波動(dòng)推 進(jìn)的黑色魔鬼刀魚作為研究對(duì)象 , 分析了黑色魔鬼 刀魚腹部綢帶狀魚鰭的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理 , 同時(shí)對(duì)魚 鰭

9、的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化 . 基于綢帶狀魚鰭的這種簡化模 型設(shè)計(jì)了可以實(shí)現(xiàn)波狀運(yùn)動(dòng)的基于形狀記憶合金驅(qū) 動(dòng)的仿生魚鰭 . 介紹了魚鰭的機(jī)械結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的控 制電路 . 重點(diǎn)推導(dǎo)了仿生魚鰭做波狀運(yùn)動(dòng)時(shí)理論上 能達(dá)到的推進(jìn)速度和產(chǎn)生的推進(jìn)力 ; 并利用 CFD 給 出做波動(dòng)推進(jìn)時(shí)仿生魚鰭表面的壓力分布情況以及 推進(jìn)力隨時(shí)間的周期變化規(guī)律 . 最后 , 將數(shù)值仿真結(jié) 論和先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較 , 驗(yàn)證了仿真結(jié)果 的正確性 . 通過上述的分析 ,說明利用形狀記憶合金 作為仿生魚鰭的驅(qū)動(dòng)源是完全可行的 . 參考文獻(xiàn) ( References 1 Lauder G V , L iem K F. The evolu

10、tion and interrelationship s of the actinop terygian fish J . Bulletin of the Museum of Comparative Zo2 ology, 1983, 150: 95 - 197. 2 Sfakiotakis M , Lane D M , Davies B C. Review of fish s wimm ing modes for aquatic locomotion J . neering, 1999, 24 ( 2 : 237 - 252. 3 Sfakiotakis M. Flexible Appenda

11、ge for Positioning and Stabilisation EB /OL . http: / /www. ece. ep s . hw. ac. uk /oceans/ , 2005 - 01 / 2006 - 07 - 10. 4 5 IEEE Journal of Oceanic Engi2 10 Ono N , Kusaka M , Taya M , et a l . Design of fish fin actuators using shape memory alloy composites A . Proceedings of the SP IE ( vol . 53

12、88 : Smart Structures and Materials 2004 - Industrial and Com 2 mercial App lications of Smart Structures Technologies C . Belling2 ham , WA , USA: SP IE, 2004. 305 - 312. 11 Guo S X, Okuda Y Y, A saka K . Characteristic evaluation of an un2 der water m icro biped robot with multi DOF A . Proceeding

13、s of the IEEE International Conference on Intelligent Mechatronics and Au2 tomation C . New York, NY, USA: IEEE, 2004. 95 - 100. 12 匿名 . 商務(wù)領(lǐng)航 EB /OL . http: / /www. gdbnet . cn /web / Supp ly / Detail . aspx? Info I D = 7580841, 2006 - 07 - 25 /2006 - 08 - 15. 13 Mac Iver M A , Fontaine E, Burdick J

14、 W. Designing future under2 water vehicles: p rincip les and mechanism s of the weakly electric fish J . IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29 ( 3 : 651 - 659. 14 O rtega H, Vari R P. Annotated checklist of the freshwater fishes of Peru J . Sm ithsonian Contributions to Zoology, 1986, 437 (

15、9 : 1 - 25. 15 Colgate J E, Lynch KM. Mechanics and control of swimm ing: a re2 view J . 660 - 673. 16 B lake R W. Swimm ing in the electric eels and knifefishes J . Ca2 nadian Journal of Zoology2 Revue Canadienne De Zoologie, 1983, 61 ( 6 : 1432 - 1441. 17 梁建宏 ,王田苗 ,魏洪興 . 水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展 I 魚 IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 29 ( 3 : 類推進(jìn)機(jī)理 J . 機(jī)器人 , 2002, 24 ( 2 : 107 - 111. 作者簡介 : 章永華 ( 1980 2 ,男 ,博士生 . 研究領(lǐng)域 : 仿生機(jī)器人 . 何建慧 ( 1981 2 ,女 ,碩士生 . 研究領(lǐng)域 : 微光學(xué) . 張世