仿生鱼尾巴的运动学建模与仿真系统基于线性圆内旋轮线

文摘

运动学仿真研究2个联合线性圆内旋轮线尾传动系统组成的一个特殊的行星齿轮系统和联动机制进行。首先,组成和工作原理,介绍了线性圆内旋轮线尾传动系统和分析。第二,传导机制进行运动学研究的矢量方程图解法。尾花梗中风之间的关系,尾鳍摆动角,和相位差与结构参数进行了研究,并进一步优化结构的大小(即。、连杆长度、太阳齿轮的直径,行星齿轮之间的转角等)。最后,仿真和比较研究在样本参数biofish活鱼的鲤鱼在MATLAB环境下进行。该研究将为水下机器人推进器设计及其机制。

1。介绍

仿生推进器灵感来源于鱼游泳技能取代传统水下设备吸引了很多世界各地的生物学家和工程师的关注。相比传统的螺旋推进器,仿生鱼的推进效率高有其独特的优势,低噪音,和伟大的流动1- - - - - -3]。之前的调查表明,鱼类游泳供应量模式可以获得一个更大的推进力在逃避和猎物,但是鱼游泳在强积金模式可以获得更高的稳定性和可操作性4]。供应量85%的鱼游泳方式供电,辅以强积金模式保持身体平衡,撤退,盘旋,旋转运动1]。

一些研究人员致力于揭示运动学和流体动力学的活鱼。Lightill [5]提出的细长本体理论的运动水平的尾鳍,与偏航角波动与横向速度翻译阶段,研究了不同位置的偏航轴。此外,该理论扩展到大幅度细长本体理论,预测之间的瞬时反应力鱼和水对鱼的运动实现任意幅值(6]。签证官et al。7)提出了一个分析优化方法可以保证鱼机器人的最大推进速度给定的参数条件。其他的研究者提出了各种仿生车辆模拟活鱼的游泳。Morgansen et al。8)与运动控制算法设计了一个平面carangiform机器人鱼获得轨迹跟踪实验结果。埃斯波西托et al。9)提出了一个与六个独立可移动的机器鱼尾鳍鳍射线基于太阳鱼的尾巴。费等。10)开发了一种无线水生仿生鱼与无线摄像机、控制器和聚吡咯致动器来检测和分析污染物在自然水域。Yun et al。11)应用一种特殊的挥舞着尾鳍与垂直阶段差异减少反作用扭矩,提高仿生鱼的速度和稳定性。

本文的目的是设计一个线性圆内旋轮线驱动机制,结合减速器与优势的转换机制,和可调阶段尾花梗和尾鳍的区别。本文全面驱动系统的运动学进行了分析,开发和结构参数优化模仿真鱼尾巴的摆动运动,进一步比较研究与验证的活鲤鱼。

2。结构和工作原理

仿生鱼的尾巴系统基于线性圆内旋轮线是由一个特殊的行星轮系与行星齿轮的分度圆半径的参考是半个太阳齿轮和一个平面连杆运动形成一个变量三角形关系,如图1(一)。拟议中的特殊的行星轮系涉及到行星载体类型,两个行星齿轮的安装行星载体在两个平行的平面,太阳齿轮。平面连杆由两个链接:两个链接的一端连接到旋转与一个固定的点位于行星齿轮的分度圆,分别和两个链接的另一端连接在某一点旋转。

工作机制的仿生鱼的尾巴系统基于线性圆内旋轮线如图1 (b)。当两个行星齿轮3和4网状与太阳齿轮2的驱动下在一定的速度,点行星载体1或点位于参考圆的行星齿轮4或3将往复沿着连接的点,太阳齿轮的中央点。的点和点设计在一个相同直径的太阳齿轮2,这两个点和点将往复的直径线与相位差决定的形状的角行星载体1。往复运动的观点和点与一定的相位差,运动的三角形在平面上形成联动机制。因此,尾鳍6旋转点的链接和做往复运动沿着直径线。显然,之间的相对长度和的长度,或,形状的角行星载体,和太阳的直径齿轮传动系统的重要参数,本文将进一步讨论。

3所示。在尾传动系统运动学

3.1。坐标系统的基础

三个坐标系统是用于尾传动系统如图2。第一个固定坐标系统- - - - - -2太阳齿轮的中心作为起源点,在水平方向上轴点,轴是向上的。与行星齿轮4与太阳齿轮啮合,第二个移动的坐标系统- - - - - -连接到连接的点和点起源点是太阳齿轮的中心点,沿着线吗,垂直于线的。

3.2。尾传动系统的运动学

3.2.1之上。行星轮系的运动学

运动学关系的线性内摆线行星轮系可以很容易地推导出基于相对运动学。当太阳齿轮的行星齿轮网状节点如图2,在坐标系统,速度矢量方程可以写成

在这里,点的相对速度吗对点,点的相对速度吗对点,的绝对速度是行星齿轮在啮合点。当太阳齿轮是固定的,。然后(1)可以取代

在这里,是行星齿轮4的角速度的革命,然后呢是行星齿轮4的角速度旋转运动。,行星齿轮4的参考范围。

因此,,它显示了和相同的大小,但在相反的方向,如图2。

3.2.2。线性圆内旋轮线的工作机制

本文提出hypocycloidal轮系,任意点位于轨道行星齿轮的分度圆直径应该是某些行太阳齿轮。线性圆内旋轮线的具体工作原理图所示3。在移动的坐标系统任意点位于行星齿轮4的参考圆被标记为点和的位置会应该搬到一个新的地方标注在行星运动。基于封闭矢量三角形,方程将获得如下:

在这里,的角和,之间的角和。,在那里是参考太阳齿轮直径2,然后呢拟议的关系。

作为一个结果,必须等于零,所以(4)可以简化为

方程(4)表明,点是简谐运动,往复沿着直径线及其直径是中风太阳的装备。

如果点和选择在同一直径的太阳齿轮在不同的行星齿轮安装在吗行星载体,点还应该做往复运动沿着相同的直径线和一定的相位差太阳齿轮吗和相位差决定了形状的角行星载体。因此,运动方程的点可以被描述为

被提议的和推导出在移动坐标系。如果把和固定坐标系的方程和点可以推导出

在这里,之间的角度吗轴和轴。

3.2.3。运动三角形的工作机制

为了简化运动学分析,连杆机构的驱动系统将被替换为一个等价的机制,取消了行星齿轮火车,如图4。相当于机制、链接5、尾鳍链接6,滑块滑块7,8点相连,,形成机制。这里,链接5将旋转点滑块8,尾鳍链接6旋转点滑块7,尾鳍链接6和链接5旋转点相连。滑块滑块7和8点做同样的往复运动和分别,所以运动三角形仍然一样的驱动系统。因此,尾鳍链接6将获得一个复合运动滑块的往复7线和振荡点。

基于矢量三角形和将建立运动学模型的等价机制

在这里,尾鳍的摆动角联系6,是链接的旋角5和6杆长度的尾鳍链接和链接5,分别滑块的运动位置7,点的运动位置吗在轴,点的运动位置吗在轴。

瞬时位置的距离两个滑块可以被描述为

基于(7)和(8),位移方程的尾鳍链接6复合往复运动和振动可以被描述为

推导的(9),速度方程可以推导出尾鳍的链接

在这里,的角速度尾鳍链接6,滑块的速度是7,滑块滑块速度区别是7和8。

推导的(10)、加速度方程可以推导出尾鳍的链接

在这里,是6角加速尾鳍的速度联系,加快速度点吗沿着,滑块7的加快速度,加快速度差异的两个滑块。

4所示。结构参数优化设计

很明显,具体参数如相位差,杆长度,相对两棒的长度,和参考太阳齿轮直径将会直接或间接影响到尾链接6的行为。在这一章,我们的重点是发展最优参数使运动三角形这存在于整个周期避免一些极端情况下,使鱼的尾鳍的行为模仿真鱼的尾鳍。为了简化问题,摩擦和重力的影响应该被忽略。

4.1。杆平面连杆的长度的关系

基于运动的三角形,边长关系可以写成

同时(12)和(8),杆的长度必须满足以下方程:

因此,偏转角在(9)可以简化为

基于(14),长度原则rad / s,,mm是MATLAB验证,如图5(一个)。

从图5(一个)当尾杆长度的链接6和5的联系是不平等的,偏转角6尾链接的变化不规则、不连续地两个突变点达到90°和90°−如图5 (b)。水平方向上的两个极端的观点会导致关节破坏机制的薄弱环节。只有当=,如图5 (c)、旋角可能会经常变化,顺利,正弦运动在整个生产周期中,和点的轨迹两个正弦波是对称的吗轴。

4.2。结构参数的关系

尾杆长度的链接也决定通过在往复行程值,摇摆振幅尾巴的链接,和相位差与杆的长度可以被描述为

与参数毫米和摇摆振幅= 30°、60°、90°,分别杆长度之间的关系和相位差如图6。与参数毫米和相位差= 30°、60°、90°,分别杆长度之间的关系和摇摆振幅如图7。

从图6,如果摇摆振幅是固定的,短杆的长度可以调整,以减少相位差来获得更紧凑的结构,和杆的长度将当相位差达到峰值180°。摆动幅度就越小,越快杆长度的增长速度会增加。从图7短,杆的长度可以调整减少摇摆振幅与一个固定的相位差,杆长度将摇摆振幅时的最小长度达到90°。

除了相位差和振幅,杆的长度仍然是由参考太阳齿轮的直径。与和,,分别引用直径的棒长度随太阳齿轮如图8。杆的长度增加线性参考太阳齿轮的直径,和杆长度的增加会减缓摇摆振幅增加。

5。设计驱动系统的一个应用实例

5.1。一个示例的尾传动系统

一个示例尾传动系统设计的参数毫米,,rad / s毫米。尾鳍的运动方程可以具体联系

5.2。参数的活鱼

新加坡国立大学的研究人员已经观察到一个真正的鲤鱼与长度190毫米的PIV (12]。在他们的作品,他们选择的四个特征点估计鲤鱼的关节角,但专注于运动学的研究点位于鲤鱼的花梗和点位于其尾端,如图9。点的运动和摇摆角点录像中收集到的鱼的运动以每秒60帧使用视频记录系统。经验观察的“巡航”游泳,鲤鱼继续在近直线移动以恒定速度,定期和尾鳍摆动。的轨迹的尾鳍摆动角如图10 ()虚线,尾花梗的轨迹往复如图10 (b)虚线。

5.3。仿真和比较研究

从图10的对称谐波运动驱动系统恰逢活鱼。作为数据10 ()和10 (b)表明,尾鳍的摆动角在我们设计的驱动系统类似于活鱼,和摇摆幅度可能达到45°。尾花梗的往复运动也类似于活鱼,和中风可能达到18厘米。当尾花梗坐落在极限位置(厘米或−9厘米),尾旋角的链接将是零。当尾花梗在平衡位置,尾鳍的摆动角达到最大:也就是说,°。最重要的是,运动之间的相位差尾花梗和尾鳍的摆动是大约90°和两个行星齿轮的相位差为180°;,实际的输出机制的相位差等于输入相位差的一半。

6。结论

基于线性圆内旋轮线,驱动系统组成的行星轮系和联系了2个联合仿生鱼的尾巴传输。尾传动系统的模型和运动学分析推导了矢量图解法。结构尺寸的优化是全面研究改善运动学性能。仿真和比较研究仿生鱼的活鱼,作证的可行性进行了驱动系统。

结构尺寸优化的结果表明,两杆的长度等于意识到尾巴不断振荡周期。此外,太阳齿轮的直径的相位差两个行星齿轮,和尾巴摇摆振幅一起影响杆长度。杆的长度将增加的增长和但降低的增长。

优化结构,仿真和比较研究样本量(毫米,毫米,,rad / s毫米)的MATLAB与实验结果进行了活鲤鱼来验证驱动系统的可行性。这些研究将为将来的实验研究和发展机制设计的水下推进。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究为国家自然科学基金资助(51205173)和江苏海外研究政府奖学金。

引用

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