基于嵌入式柔性驱动单元（ECDU）的仿生机器鱼柔性胸鳍研究

研究表明，胸鳍的柔性可以显著提高机器鱼的推进效率（最高可以提升36%）。目前对于仿生机器鱼胸鳍的研究多为刚性，柔性胸鳍方面的研究开展缓慢，制约机器鱼推进效率难以进一步提高。本项目基于仿生学原理，提出利用嵌入式柔性驱动单元（ECDU）开展扑翼式机器鱼柔性胸鳍设计的研究方法。在对仿生原型的运动学模型、骨骼结构、柔度变化与推进效率关系等研究的基础上，对驱动器与柔性机构的一体化设计、胸鳍的分布式柔性实现方法等关键技术攻关，在仿生机器鱼的胸鳍分布式柔性技术研究上取得突破性进展，实现扑翼式机器鱼柔性胸鳍的创新设计。本项目的研究成果旨在解决扑翼式机器鱼因柔性不足而导致推进效率低的问题。也进一步丰富了全柔性机构的研究和应用范畴。

本项目基于仿生学原理，开展了基于嵌入式柔性驱动单元的仿生摆动胸鳍的研究。利用数值计算和实验分析的方法，深入研究了仿生胸鳍柔性分布对推进效率、推力系数等关键参数的影响。本研究实现了仿生胸鳍性能的改善，进一步丰富了全柔性机构的研究和应用范畴。本项目主要取得以下创新成果：.(1) 建立了仿生对象摆动胸鳍的运动变形模型和推力模型，对胸鳍运动特点和柔性分布规律进行了分析。将胸鳍的运动等效为运动波在胸鳍上的传递，利用三次多项式函数近似描述了任意时刻展向截面形状。基于一维拍动翼理论，研究了胸鳍展弦柔性对推进性能的影响，并通过实验对比分析了理论研究结果，总结了摆动胸鳍的柔性分布规律。.(2) 实现了驱动器与柔性机构的一体化设计。根据扑翼柔性变形的需要，设计了合理的柔性机构单元，同时确保驱动器能够恰当嵌入，结构紧凑，并且有效控制柔性变形。克服了主动关节难以实现柔性仿生、被动柔性关节不能精确控制等缺点，实现了从驱动、传动到执行机构的一体化柔性。.(3) 基于遥控模式搭建了机器鱼样机平台并进行了实验与改进。机器鱼主要由多鳍条驱动机构和透水柔性蒙皮组成。蒙皮按照牛鼻鲼三维外形设计，实现形态仿生。通过游动实验、机器鱼胸鳍运动分析和静水推力实验验证了设计的合理性。机器鱼俯仰稳定性良好，机动性能优异，体现了胸鳍推进模式的特点。