摘要
鳗鱼和海蛇由于长距离迁徙和高耐力巡航的特点引起了科研人员极大的研究兴趣，而由这类生物作为仿生原型设计的水下蛇形机器人具有高效、强机动性、高稳定性游动的潜质，有望成为水下机器人新的研究发展方向。但是由于目前对这类细长游动体高效推进、高稳定性及强机动性方面的机理尚不清楚，无法为仿生细长体机器人的设计与开发提供直接指导，致使目前水下蛇形机器人的游动性能与仿生原型相比还有很大差距。而仿生学研究发现鱼鳍在鱼类高效游动中起着至关重要的作用，仿生鳍的研究与应用为水下仿生蛇形机器人的优化设计及性能提升提供了新的研究思路。本论文通过蛇形机器人物理样机实验及流体力学数值模拟的方法，系统地研究了各类鳍的形态、阵列形式、初始构型及运动参数等对蛇形机器人游动性能的影响。结合流体力学计算结果，分析水下蛇形机器人游动过程中的流场特性，揭示了各类鳍对水下蛇形机器人游动性能的影响机理。 首先，从鱼类游动中推进力主要来源的尾鳍获取灵感，通过对鱼类尾鳍形态学分析提取决定尾鳍形状的关键变量。结合蛇形机器人物理样机实验及等比例模型流体力学仿真的方法，首次系统地研究了不同形状的尾鳍对机器人游动性能的影响，并分析了尾鳍形状关键特征变量对蛇形机器人游动性能影响的机理。研究结果表明，前缘角为85°与尾缘为凸120°的尾鳍可以使蛇形机器人同时获得最佳的游动速度和效率。结合流体力学仿真的结果及涡环理论分析发现，略小于90°的前缘角更有利于引导蛇形机器人体涡与尾涡的交互融合，这种叠加效应使得蛇形机器人尾部形成更强的尾流结构，从而显著地提高了蛇形机器人的游动速度和效率。而尾鳍微凸的尾缘结构则有利于加速尾涡的脱落，有利于蛇形机器人尾部形成更为紧凑的尾涡结构，从而显著提升蛇形机器人的游动速度和效率。 其次，从七鳃鳗高效游动的关键结构—双背鳍获取灵感，创新性地提出了蛇形机器人双背鳍的设计理念。通过物理样机实验和流体力学数值计算相结合的方法，系统地研究了双背鳍阵列形式对水下蛇形机器人的游动速度和效率的影响。在蜿蜒步态下，研究三种不同的振幅（15°、30°和45°）和角速度（2、3和4 rad/s）下双背鳍的四种不同鳍间间距对蛇形机器人游动性能的影响。研究发现，双背鳍结构鳍间间距为一个关节长度的阵列形式对蛇形机器人游动速度与效率的提升最为显著。当蛇形机器人按30°的振幅运动时，与无间隙双背鳍构型相比，单关节间距的双背鳍构型能使蛇形机器人游动速度提升 2.14 倍。流体力学仿真结果表明，双背鳍间距的变化会显著影响前后背鳍尾涡的相互作用以及背鳍对体涡的传递效应，直接影响蛇形机器人尾涡的脱落形式，决定脱落尾流强度和形成方向，最终影响水下蛇形机器人的游动速度和效率。 而后，由胸鳍在鱼类游动高稳定及强机动性方面的特殊功能获取灵感，设计了蛇形机器人的仿生胸鳍结构，研究了胸鳍初始构型、运动模式及运动参数对蛇形机器人游动速度、效率、机动性及稳定性的影响，并深入分析了其对水下蛇形机器人游动性能影响的内在机理。研究发现鳍面平行于前进方向的胸鳍初始构型能够有效的减小水下蛇形机器人游动过程中的侧向力，从而减少质心震荡提高机器人的稳定性，最终提升其游动速度和效率。同时，也研究了胸鳍初始构型对蛇形机器人机动性能的影响，研究表明蛇形机器人能够通过胸鳍的非对称构型有效的实现左右转向功能。此外，还研究了三种典型的胸鳍运动方式及摆动频率对蛇形机器人游动性能的影响，研究发现前后划桨运动模式下的高频运动能够有效提升蛇形机器人的游动速度和效率，而摇桨及上下拍打运动则会降低其游动性能。 最后，结合前三章的研究结果及鱼类多鳍系统的高效驱动特点，首次提出了水下蛇形机器人的多鳍系统结构设计思路。系统地研究了仿鳗及蜿蜒步态下多鳍系统构型对蛇形机器人游动性能的影响。研究发现仿鳗步态特定运动参数下，相比背鳍前置，背鳍后置的多鳍构型使蛇形机器人游动速度提升34%；蜿蜒步态小振幅时，背鳍前置构型则能使蛇形机器人获得更高的游动速度和效率。结合对蛇形机器人游动过程中的流场结构的分析，发现特定的多鳍构型下各类鳍对蛇形机器人游动中涡流的高效传递，这种传递效应能有效增加尾流强度，最终提升蛇形机器人的游动速度和效率。 本文通过蛇形机器人物理样机实验及流体力学仿真的方法，从尾鳍形态学、双背鳍阵列形式、胸鳍初始构型和多鳍交互四个方面对蛇形机器人游动性能的影响展开了系统的研究，结合流体力学涡环理论分析了鳍系统对蛇形机器人游动性能影响的机理，优化设计了同时具备高速、高效、高稳定性和高机动性的水下蛇形机器人，缩小了其与仿生原型之间性能的差距，有益于推动蛇形机器人在水下环境的实际应用。此外，这些研究同样为理解鱼类如何根据需求控制鳍形态并调整多鳍系统构型提供参考。
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