咽颌运动模式柔性胸鳍仿生及其推进机理研究

为提高现有水下运载工具的操纵性能，以咽颌运动鱼类胸鳍为灵感进行水下运载工具操纵面的研究是具有重要现实意义的。然而，咽颌运动鱼类胸鳍结构、运动以及与周围流体作用等方面的复杂性给胸鳍推进机理和仿生的研究带来了巨大挑战，有关这方面的研究仍然是很不充分的。为此，本课题从实际胸鳍的结构、运动和控制等方面出发，采用欠驱动技术进行胸鳍鳍条摆动运动仿生系统的设计，建立以形状记忆合金为驱动器的鳍条仿生系统，并将它们组合形成一套新型高性能柔性胸鳍仿生系统，然后建立其相应的实验平台。以此为基础，对胸鳍推进机理进行定量和定性的观测研究，分析各因素对胸鳍周围流体的流动机制及其演化过程的影响，深化对胸鳍推进机理和推进性能的理解与认识。最后，采用机理建模和辨识建模相结合的方法建立便于应用的胸鳍推进机理数学模型。因此，本课题的研究为新型高性能水下运载工具的开发提供了重要的理论基础和技术保障，具有重要的科学意义和研究价值。

为了提高水下运载工具的操纵性能，适应海洋资源开发和海洋环境保护的需要，本课题以硬骨鱼类胸鳍为研究对象，开展了有关其仿生设计、推进性能分析和仿生控制等方面的理论分析和试验研究工作。具体的创新性研究成果如下：（1）分上摆、诱导、回摆和暂停四个阶段建立了鱼向前定常游动时胸鳍的运动学模型。并将其推进运动形态的仿真结果与实际观测的结果进行了比较研究，证明了此模型能够精确地描述胸鳍的推进运动形态。从而为胸鳍推进性能、仿生设计和控制等方面的研究提供了基础和保障。（2）通过对胸鳍仿生机构及其控制系统的软硬件进行设计、加工、安装和调试，建造了一套新型高性能胸鳍仿生系统的样机。与现有胸鳍仿生系统相比，此仿生系统结构更加紧凑，体积更小，功能更加强，可以有效解决高仿生性能机器鱼研制中鱼体空间狭小的问题，为高灵活性机器鱼的研制提供了技术保障。（3）建立了仿生胸鳍的动力学模型，并通过仿真、试验和观测研究验证了此模型的准确和有效性。从而为仿生胸鳍的研制和控制提供了理论的基础。（4）详细分析了胸鳍运动学参数（如，鱼向前游动速度、鳍基角、鳍条之间的滞后角度等）变化对胸鳍推进性能的影响。这些分析对于深入了解胸鳍的推进机理和分析胸鳍在鱼体姿态操控中的作用是具有重要意义和价值的。（5）创造性地提出了一个新的运动控制神经网络模型，并对其稳定性、解的唯一性以及产生振荡和非振荡输出的条件进行了理论的证明。通过对此运动控制神经网络的深入理论分析和数值仿真发现，此模型具有更好的鲁棒性，便于进行参数设置，且具有较好的生物学特性，可以根据生物神经环路的特点进行CPG网络拓扑结构的设计和感官信息的反馈，同时还具有运算量小的优点，可以有效解决现有CPG网络设计中存在的难题，这对于仿生胸鳍以及仿生机器人的控制都是具有重要意义和价值的。