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【機(jī)器人|機(jī)器人鰭模型，允許通過減少的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)空間進(jìn)行系統(tǒng)探索】物理模型 ， 已經(jīng)有各種獨(dú)立的努力來設(shè)計(jì)和制造模仿游泳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的細(xì)長波狀鰭的運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)器人 。 科學(xué)家們開發(fā)了一種波浪形帶狀翅片 ， 由八個(gè)與翅片膜互連的翅片致動(dòng)器組成 。 鰭射線由氣動(dòng)平行波紋管驅(qū)動(dòng) ， 波紋管彎曲類似于魚鰭中的骨頭 ， 但與骨射線相比 ， 氣動(dòng)射線的直徑與長度之比要大得多 。 研究人員構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器人波浪鰭 ， 由十三條射線組成 ， 這些射線圍繞一個(gè)共同的軸旋轉(zhuǎn) ， 每條射線由一個(gè)專用的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 。
他們?cè)O(shè)計(jì)了一種模塊化的帶狀鰭機(jī)構(gòu) ， 可以橫向定位為一對(duì)胸鰭 ， 也可以向內(nèi)定位為腹側(cè)帶狀鰭 。 在這種機(jī)制中 ， 翅片膜由離散的剛性丙烯酸鏈段組成 ， 以減少拉伸彈性膜時(shí)的能量損失 。 為了便于操作由剛性材料制成的翅片 ， 十片條翅片射線不會(huì)繞軸旋轉(zhuǎn) ， 而是相對(duì)于中平面 ， 以在正弦運(yùn)動(dòng)期間保持光線彼此平行 。 盡管這種設(shè)計(jì)避免了處理高度柔順的膜的缺點(diǎn) ， 但鰭射線的運(yùn)動(dòng)學(xué)和膜材料與實(shí)際的生物波動(dòng)帶狀鰭有很大的不同 。
這種設(shè)計(jì)的更新版本 ， 稱為NKF-II ， 有八根鰭條連接到一個(gè)包含水箱的潛水器主體 ， 允許浮力控制 。有關(guān)人員設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一個(gè)波動(dòng)機(jī)器人鰭模型 ， 目的是了解帶狀鰭推進(jìn)的流體動(dòng)力學(xué)和電魚的電感應(yīng)系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系 。 第一個(gè)版本的波紋帶狀翅片模型由八個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的剛性翅片射線和由乳膠片制成的翅片膜組成 。 起伏的鰭是機(jī)器人潛入水中的唯一部分 。
幽靈機(jī)器人有三十二條射線 ， 由一個(gè)厘三十二米的萊卡鰭覆蓋 ， 該鰭連接到一個(gè)可容納所有電機(jī)的潛水器主體 。 身體是魚雷形的 ， 當(dāng)它接收來自水外的控制信號(hào)和電力時(shí) ， 它被安裝和系住 。還有許多其他起伏帶狀翅片模型的例子 。 科學(xué)家開發(fā)了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)的波浪形鰭片致動(dòng)器來模擬尼羅羅非魚的運(yùn)動(dòng)學(xué) ，一種非洲弱電魚 ， 它使用背中帶狀鰭 ， 并就多個(gè)鰭參數(shù)分析其推進(jìn)力學(xué) 。
科學(xué)家設(shè)計(jì)并建造了具有兩個(gè)橫向波浪形鰭片的仿生水下航行器 。 他們建造了一個(gè)波狀帶狀翅片 ， 只有兩個(gè)致動(dòng)器 ， 一個(gè)在翅片的兩端 ， 以驗(yàn)證推力產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果 。 并使用由單自由度驅(qū)動(dòng)的柔性箔片來研究魚類的波動(dòng)運(yùn)動(dòng) 。 使用這些仿生機(jī)器人的研究工作有著共同的目標(biāo) ， 即開發(fā)一種更具機(jī)動(dòng)性的水下航行器 ， 并了解魚類波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的基本機(jī)械原理 一旦建立了鰭的物理模型 ， 就有許多不同的方法來分析潛在的力學(xué) 。
通常第一步是讓機(jī)器人在一組與自然界觀察到的運(yùn)動(dòng)學(xué)非常匹配的情況下游泳 。 穩(wěn)態(tài)游泳速度的測(cè)量包括自由游泳鰭的運(yùn)動(dòng)捕捉 ， 或?qū)⒘鲃?dòng)隧道的速度與機(jī)器人的自由游泳速度相匹配 。 此外 ， 可以通過在機(jī)器人鰭和機(jī)械地面之間放置一個(gè)稱重傳感器來測(cè)量固定鰭的力 ， 這在生物學(xué)中很難或不可能進(jìn)行 ， 尤其是在魚類中 。 流量和力測(cè)量可以結(jié)合起來估計(jì)流動(dòng)隧道或拖車罐中的阻力 。
最后 ， 使用粒子圖像測(cè)速等流量測(cè)量技術(shù)來確定機(jī)器人尾翼產(chǎn)生的尾流的速度矢量場(chǎng) ， 其中重要的特征包括因?yàn)榭梢酝茖?dǎo)出渦量和動(dòng)量通量 。 雖然粒子圖像測(cè)速通常在飛機(jī)上進(jìn)行 ， 但最近的工作已經(jīng)使用體積流技術(shù)進(jìn)行了三維速度場(chǎng)測(cè)量 ， 該技術(shù)應(yīng)用于水下機(jī)器人和活體動(dòng)物的力學(xué) 。 對(duì)于大多數(shù)測(cè)量 ， 鰭的運(yùn)動(dòng)學(xué)已被理想化為由三個(gè)或四個(gè)參數(shù)組成的簡(jiǎn)單行波 ， 例如頻率、波長、幅度和長高比 。 機(jī)器人鰭模型允許通過減少的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)空間進(jìn)行系統(tǒng)探索——這在研究活魚時(shí)是不可能的 。
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