文摘
设计一个软与高性能的仿生机器鱼的方法,我们正在开发一种软机器鱼使用压电纤维复合(PFC)作为一个灵活的执行机构。与传统的刚性的机械鱼相比,软机器鱼的设计和控制困难是由于大变形柔性结构和复杂耦合动力学与流体。这就是为什么软机器鱼的设计和控制方法尚未建立,他们鼓励我们做出进一步的研究考虑柔性结构和周围液体之间的交互。摘要声fluid-structural耦合分析应用于考虑流体效应和预测软机器鱼在流体的动态响应。软的基本控制方程在流体机械鱼首先描述。然后进行基于数值耦合分析不同结构参数的软机器鱼。通过数值分析,一个新的软机器鱼终于设计,执行和实验评估。证实,大的游泳速度和更好的鱼一样游泳的性能得到了新的软机器鱼。新软机器鱼成功开发高性能。
1。介绍
随着交叉学科的发展,包括科学电子信息、生物技术、仿生机器人在人类生活中做出很多不可替代的贡献(1,2]。许多研究人员一直致力于仿生机器人的领域,特别是在开发的仿生机器鱼模仿真鱼(3- - - - - -7]。仿生机器鱼,表示为效率高、流动性好,和小扰动,将广泛用于救援,海底的探索和观察,和其他特殊任务。
为了满足一些特殊的工作在复杂的或未知环境准确和可靠,仿生机器鱼应该设计成软真正的鱼,和驱动策略需要使用软结构的明显优势顺利推进、高安全性、高流动性。已经证明很难繁殖的鱼一样的顺利推进使用传统僵化的机制,导致一个相对复杂的和不可靠的推进结构与低效率和流动性(8,9]。软机器鱼结合软行为与机器人真正的鱼因此逐渐出现(6,7,10- - - - - -13]。作为一个年轻的领域,尚未定义的相关理论和技术在机器人发展的一般方法和活动仍在探索新方法(8,13]。因此,它激励我们去挑战的设计和控制软仿生机器鱼的方法发展的高性能软机器人。许多软机器人使用灵活和智能材料驱动器顺利推进,如形状记忆合金(SMA)、静电膜、压电陶瓷膜、离子聚合物金属复合结构(IPMC),或有关基于推进机制使用灵活的致动器,软机器鱼可以获得相对更好的推进性能类似于真正的鱼。
当设计一个柔软的机器鱼,它必须考虑周围的流体。液体增加系统的质量、刚度和阻尼和变化的动态特性软机器鱼。fluid-structural耦合分析考虑柔性结构和周围液体之间的交互设计中执行软机器鱼的动态行为。大多数fluid-structural耦合问题涉及流体流不重要,和流体压力波传播的主要担忧。声流固耦合的方法考虑声压可以被利用来解决这些耦合问题和预测其动态响应。根据耦合分析利用有限元方法(FEM),人工智能和太阳14研究了水下圆柱壳的振动响应,演唱和Nefske [15分析汽车车厢的动态响应,Djojodihardjo和Safari (16)实现航天器结构的特点等。这些研究提供了一个流动的基础配方和边界条件。然而,耦合问题很难得到解决,和柔软的机器人的设计和控制鱼尚未建立大变形和复杂耦合动力学与流体。有必要探讨软机器鱼的设计和控制问题分析模拟耦合效应。
在目前的研究中,鱼的身体和/或(供应量)尾鳍推进集中。PFC可以构造一个简单的结构,能量转换效率高和大位移响应,利用软驱动器开发BCF-propulsion原型。摘要声fluid-structural耦合使用有限元法应用于预测动态响应软机器鱼的液体。通过耦合分析,提出了一种新的软机器人结构和执行完善的实验评估动态行为的耦合方法。从结果,证实了新软机器鱼更大的速度和更好的鱼游泳性能是通过建立耦合方法。成功开发新型高性能软机器鱼。
2。材料和方法
2.1。压电纤维复合材料
在这项研究中,长纤维复合材料(MFC) [17),一个典型的PFC,采用柔软的致动器。图1显示了MFC的结构模型。压电陶瓷纤维是嵌入在环氧矩形板。盘子里夹了两块互相交叉的聚酰亚胺薄膜电极被放置。当电压从1500−500 V + V应用,产生的应变和应力将,一个等价的驱动负载可以最终获得的(1扩张和收缩的方向纤维(18]: 在哪里和是在X和Y方向拉伸模量,分别和泊松比,和压电常数,是电压,电极之间的距离,是驱动负载。
MFC结合弹性薄板时,由于共振产生的弯曲变形。弯曲变形的特点是利用设计软机器鱼供应量推进。采用聚合物碳纤维(CFRP)研究弹性薄板。
2.2。设计方法和数值耦合系统软机器鱼
仿生的方法已被用于设计软机器鱼在未知的或复杂的环境。通过模仿真鱼,柔软的机器人的有关功能可以分为两种类型:移动像鱼,看起来像一条鱼,在图中描述2。的移动类型像鱼一样专注于推进模式和动作类似真正的鱼。速度和游泳等游泳表演多采用评估推进软机器人的性能。看起来像一条鱼的类型,它关注的鱼类匹配它的身体形状和颜色模式(19]。在这项研究中,像鱼一样移动的功能主要是专注。
的研究,主要的研究目的是开发高性能软仿生机器鱼的方法。给出了基于数值分析的设计方法。它考虑柔性结构和周围液体之间的相互作用。图3显示了软机器鱼的设计过程。所需的机器人模型首先提出通过耦合分析。生产和实验评估然后进行验证。的研究、subcarangiform类型,如鲑鱼鱼的鱼是专注。推进运动是由液体的惯性力(20.]。驾驶模型基于MFC软执行机构,控制输入的考虑。通过驾驶模式,软机器鱼的造型包括周围的液体,和相应的材料属性定义。在造型的基础上,数值模拟耦合建立执行推进运动,然后建立耦合仿真的机器人结构优化改进,直到实现所需的模型。当所需的模型实现,实验评价将通过完成实际的原型。
2.3。声Fluid-Structural耦合的方法
本文有限元方法用于处理通过ANSYS软件的声学耦合问题。声元素,四个自由度(自由度):三个可选的位移和压力,完成所需fluid-structural耦合。成立一致矩阵耦合结构和流体元素之间的强耦合物理没有造成收敛问题。
fluid-structural耦合,一个灵活的机器人结构接触一个封闭的流体。连续体的微分运动方程有限元公式用于模型灵活的机器人结构域。提供的流体域声学波动方程满足的基本条件:非粘性的,可压缩,没有平均流量,没有传热过程,相对较小的压力。振幅在流体域对小型流体密度的变化相对较小。平均密度和压力是统一整个流体域。灵活的机器人结构之间的交互和周围的流体界面引起的流体压力施加一个力应用于柔性机器人的结构、运动和结构产生了有效载荷作用于液体。在界面的耦合边界条件满足位移的连续性和两个域之间的流体压力。通过耦合边界条件和算法、软机器鱼的耦合问题可以被描述的不对称系统有限元矩阵方程显示为(2)。同时结构和流体加载界面。界面上的节点自由度位移和压力。如果身体力是零,(2)将成为方程耦合的模态分析: 在哪里和结构单元的质量矩阵和刚度矩阵,分别是身体力量,位移,流体压力,是流体密度,下标吗和表示为结构域和流体域,分别。 ,流固耦合矩阵,代表了有效表面积与每个节点的流固界面和认为法向量的方向定义为每一对重合的流体和结构元素的面孔,包括表面的接口。
3所示。基于耦合分析的结构设计
3.1。软机器鱼的结构
图4显示软机器鱼的结构。机器人的身体是由碳纤维增强塑料盘子和两个MFC板。两个MFC板使用m - 8528 p1类型夹,碳纤维板作为致动器的结构。重量由钢铁是放在机器人头部增加尾端的位移。机器人身体的高度不一的尾巴,这是最小的在尾下脚的地方。软机器鱼的材料属性如表所示1。
3.2。软机器鱼的设计方案
真正的鱼前进通过转换波产生的蜿蜒运动。转换得到的肌肉产生的弯矩沿体轴的鱼类。真鱼的蜿蜒运动,流体惯性力明显增加质量成为推进力的增加幅度。网络可以获得积极的力量在运动方向运动幅度增加尾(20.]。此外,在鲑鱼鱼的推进20.],波动幅度是有限的在前面,增加只在身体的后一半的鱼;也就是说,有增加振幅从身体前部,后部的鱼。因此,设计一个软机器鱼大的推进速度,运动幅度需要向尾部增加,最大值应该位于尾鳍。
弯曲的主要推进运动和运动振幅尾一端都集中在设计。实现推进运动速度大,较大的振幅在末端的结构设计进行了耦合分析。尾鳍形状,重量,头和身体的厚度软机器人在推进[扮演了重要的角色20.,21),他们被视为关键结构参数的设计。图中的虚线4描述了设计的详细位置。尾花梗高度和尾鳍高度被认为在尾鳍形状的设计。碳纤维增强塑料板块为主体的驱动结构是非常重要的对于大型弯曲振幅。重量放在机器人的头是用来增加尾端的振幅。这些关键参数表中给出允许在一定范围内变化2。尾花梗和尾鳍的高度在1毫米~ 64毫米的范围。身体厚度从0.1毫米到1毫米,不等和半径的头重量在1毫米~ 7毫米的范围。这些关键参数是随机安排并结合实现的最大位移尾鳍改进的结束。
3.3。Fluid-Structural耦合分析
耦合瞬态分析是用来确定流体的软机器人的动态行为。机器人结构域被三维(3 d) SOLID186元素,和3 d FLUID30元素被用来模拟流体域和耦合的接口。如图5,一个球面作为计算流体域的边界,其直径是220毫米。柔软的机器人放在中间的静态流体域。由于高压MFC,最高可达2000 V, Fluorinert电子液体FC3283采用绝缘液体,其绝缘强度范围大于35 KV和密度是1820公斤/米3。全氟化液,作文不会改变随着时间的推移,被保险人的流体传输性能稳定。
驱动负载的耦合分析,从−3赫兹500 V + 1500 V的正弦波形应用。仿真结果的位移尾鳍结束基于图中描述不同的参数数组6(一)。可能是知道的最大位移尾鳍结束约62毫米。基于这一最大值,相应的结构参数可以确定,这是尾花梗3毫米的高度,高度20毫米的尾鳍,身体厚度0.1毫米,头半径7毫米的重量。因此一个新的机器人模型设计和图所示6 (b)。
(一)
(b)
新机器人模型的弯曲模式频率的流体如表所示3,第一个提出了三种模式。第一个弯曲模式频率约为2.5赫兹,和其最大变形发生在尾端。第二个类似的s形弯曲模式是获得约为9.5赫兹。如果12赫兹的频率接近,第三个弯曲模式发生。
4所示。实验评价
图7介绍了原型的新软机器人。低密度发泡剂的浮动被放置在机器人头部和顶部液体平衡机器人的重量。详细的规格如表所示4。环氧树脂3 m-dp460被用于制造一起MFC和碳纤维增强塑料盘子的债券。
图8介绍了实验平台和驱动系统的原型。充满液体的体积液体罐fc - 3283和高速摄像机(从卡西欧数码相机EX-F1公司)在实验中被运用。主要的信号生成是由电脑控制,和基本的信号波形,如正弦波的设计。使用的信号处理电路之间的电压跟随器高压放大器(AMP PA05039)和计算机来降低输出阻抗。高压放大器是有能力提供一个输出电压−500 V + 1500 V的输出电流50 mA。高压输出是由放大器的输入电压控制−2.5 V ~ 7.5 V直流或交流峰值对应−500 V ~ + 1500 V输出。在实验中,输入电压范围从−500 V + 1500 V和频率在1 Hz ~ 20赫兹的范围。
(一)
(b)
流体的弯曲模式原型的频率如表所示5。弯曲的主要推进模式发生在大约2赫兹,和第二个和第三个弯曲模式生成的频率大于10赫兹。仿真结果验证了实验。
相应的弯曲推进模式如图9通过高速摄像机。有非常相似的弯曲模式之间发生相应的仿真和实验模式的频率。2赫兹频率时,获得了最大位移在尾端。如果第二个和第三个弯曲模式发生,产生的最大变形机器人身体的不同部分。仿真结果对固有频率和振型弯曲推进模式正好与实验结果良好,和鱼一样的弯曲推进运动。
(一)
(b)
(c)
新原型也可以实现基本的游泳运动,如标准运动。图中描述的游泳速度是10 ()。在15赫兹,获得的新原型的最大速度约为0.6 m / s。在仿生学,游泳鱼被广泛用于评估机器鱼的游泳表演(20.]。 ,与速度有关 ,频率 ,和身体长度 ,可以表达的
(一)
(b)
描述的鱼鱼的距离移动/尾击败。一般大约0.6高的表演具有良好的灵活性和机动性(20.]。这意味着有一个表示在仿生学相似定律的前提。足以描述相关的性能真鱼的游泳运动仿生方法(22]。图10 (b)介绍了新软的机器人。随频率的增加在一定范围内。最大0.75发生在1赫兹。在2赫兹,接近0.6,更接近真实鱼的价值。新软机器鱼更好的推进性能接近主推进模式。
表6介绍了游泳表演一些传统的比较软鱼机器人,考虑到最大速度 。相比之下,新软机器人更好的推进性能最大游泳速度通过速度每秒(提单/ s,身体长度) 。新软机器人的最大速度是提高了不止一个数量级。和增强了至少3次。它可以被认为是新的软机器鱼有更高的推进性能类似于真正的鱼比传统软机器鱼。
相比之下,新软机器人更好的推进性能最大游泳速度通过速度每秒(提单/ s,身体长度)年代w。新软机器人的最大速度是提高了不止一个数量级。和增强了至少3次。它可以被认为是新的软机器鱼有更高的推进性能类似于真正的鱼比传统软机器鱼。
5。将运动控制
通过控制输入电压的振幅在柔软的致动器,柔软的机器人可以获得运动。柔软的机器人(6)是作为一个例子来描述在这部分。从−3赫兹的输入电压500 V + 1500 V在正弦和广场波形应用在这柔软的机器人。
的研究中,两个柔软的软机器鱼由执行机构推进。当输入电压信号在两个左翼和右翼MFC驱动器有相同的电压幅值和分布在相反的方向,软的标准动作实现机器鱼。图11描述了输入电压波形正弦和广场上左和右MFC致动器为标准软机器鱼的运动。两个执行器上的输入电压的范围都在−500 V ~ + 1500 V,他们应用于软机器鱼在相反的方向。
(一)
(b)
基于这些MFC致动器输入电压信号,生成标准软机器鱼的运动和相应的推进模式呈现在图12。在图12描述的容积,swing的位移在左边。否则,它描述了右摇摆的位移。在标准尾鳍的摆动运动是在中线对称分布的软机器鱼在两个波形正弦和广场。通过描述这种推进模式,标准运动实现。此外,摆动位移在广场的尾端波形更大。这是因为广场波形不仅考虑基频分量,还含有谐波的基本频率。柔软的机器人可能已经通过使用方波形游泳速度越快。
(一)
(b)
为了实现软机器鱼的回转运动,不对称信号应用基于标准运动的条件。通过控制输入电压信号之间的偏置电压两个柔软的致动器,将运动可能是由于不对称的致动器的输出。当左边的电压振幅致动器大,右转的运动。相反,左转的运动发生。图13介绍了输入电压在两个执行机构运动的右转。左边的输入电压致动器的范围−500 V ~ + 1500 V,大于电压范围从−500 V + 500 V致动器。
(一)
(b)
基于这些不对称信号,右转的运动实现和相应的推进模式描述在图14。左右不对称尾鳍的摆动的中线软机器鱼在两个波形正弦和广场。在图14描述的容积,swing的位移在左边。否则,它描述了右摇摆的位移。尾鳍的摆动主要发生在右侧软机器人,和右转运动从而产生。此外,摆动位移尾端的正弦波形小于广场的结果波形由于表示只有基本频率的正弦波形。
(一)
(b)
运动的左转弯、输入电压的应用方法与右转运动。左边的电压致动器的范围−500 V ~ + 500 V,和右边的电压致动器包括−500 V + 1500 V。基于这些不对称输入电压,实现左转运动和相应的推进模式呈现在图15。swing的位移在左边是大。它也可以发现,在末端位移较小的正弦波形。
(一)
(b)
根据输入信号的可控制性,游泳运动等运动可以实现。验证将软机器人的运动控制,相应的实验机器人原型(10)进行。实验平台由高速摄像机旋转运动的测量图描述8。高速相机放在液罐的顶部。软机器人的转动速度可以预测的拍摄将运动视频。由于成就更大的速度通过广场在机器人驱动波形,广场的输入电压波形应用的原型描述运动。
通过应用非对称信号在两个执行机构,左转和右转的动作实现成功。基于回转运动的轨迹和相应的时间,把速度决定,最大转动速度大约是27度/ s使用方波形。
根据输入电压信号的控制方法在这两个执行机构,将运动也取得了新的软机器人原型。描述新软机器人的回转运动,15赫兹在广场的输入电压信号波形如图16采用,信号在0.5 s作为描述的一个例子。在右转运动,对致动器的输入电压的范围是在−500 V ~ + 500 V,小于500 V电压范围从−+ 1500 V左边的致动器。左转动作,输入电压信号的应用方法对致动器与右转运动。
(一)
(b)
基于这些不对称输入电压信号,将新软机器鱼的运动实现。数据17和18礼物,左转右转运动运动的新软机器人原型在其最大的游泳速度通过使用高速摄影机,分别。基于回转运动的轨迹和相应的时间,将速度决定。右转运动约51.6度/ s和左转运动约为53度/秒获得15赫兹。新的软机器人原型的实验也验证了运动控制。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
6。结论
在本文中,一个新的软机器鱼采用PFC设计通过fluid-structural基于仿生耦合分析方法。通过实验评估,证实了更好的鱼游泳表演成功实现新软机器鱼。新软与高性能机器鱼类似真正的鱼已经开发成功。此外,将成立软机器鱼的运动控制通过控制输入信号执行机构。左转运动约53度/ s和右转运动约51.6度/ s通过新的软机器鱼在游泳的最大速度发生的地方。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本文中提到的工作得到了国家自然科学基金(51605436)和中国浙江省自然科学基金(LQ16E050009)。