液压驱动仿生推进器运动特性的数值仿真

　　采用奇鳍/对鳍( MPF) 模式游动的鱼类，在游动过程中可以在身体不发生变形的情况下，仅依靠柔性长鳍的波动运动获得推力［1］。该类生物在巡游时，波动鳍的运动状态是稳定的，即波幅、波形、波形周期等参数相对固定。当其在开始游动、停止游动、捕食猎物或规避危险时，波动鳍的运动状态发生急剧变化，从而产生相应快速变化的操控力和操控力矩，以适应各项机动运动的要求。波动鳍的急剧变化运动，表明波形的变化特性在实现载体的机动性中有着重要的作用。

　　受 MPF 模式鱼类游动启发而研制的液压驱动的波动鳍仿生推进器，无论是驱动方式还是运动效果，均与仿生对象较为接近，其综合推进效果较已有的伺服电机驱动的波动鳍仿生推进器更为明显。液压系统固有的特性使得该仿生推进器在启动、稳定运行、停止过程中的运动和动力特性，与传统的采用电机驱动机械传动结构的仿生推进器有着明显的不同［2］，前者可以被动地逐渐承受并适应负载。液压系统的这种缓冲特性不仅有利于保护仿生推进器结构本身，而且从流体力学的角度上讲，其能够更为有效地利用能量，提高推进效率［3］。

　　液压系统的参数决定仿生推进器的波形参数，而波形参数的变化又对仿生推进器自身推进性能有重要的影响。因此有必要对其在启动、停止等动态过程中的运动特性进行分析，研究液压参数对波形参数的影响，以期为仿生推进器的性能改进提供理论指导，进而促进波动仿生推进机理的研究。

　　1 波动鳍仿生推进器模型的建立

　　1. 1 波动鳍仿生推进器结构描述

　　如图 1 所示，液压驱动的波动鳍仿生推进器，由旋转式流体分配阀( 分配阀) 、主油管、支油管、鳍条摆动装置、鳍条、柔性蹼等几部分组成［4］。

　　将 n( n 为仿生推进器中鳍条的根数) 个鳍条摆动装置按照仿生对象的鳍条基线形状排列好并用一个长条状支架固定，然后将其分别连接到分配阀周向上的 n 对支路油孔上［5］，通过鳍条夹持具有一定弹性的薄乳胶皮作为柔性蹼。当向分配阀中连续注入高压液压油，并且电机驱动分配阀的阀芯转动时，n 根鳍条即呈现有相位差的有序摆动，带动柔性蹼呈现波形。

　　结合对仿生对象“尼罗河魔鬼”鱼游动过程的观察，对波动鳍结构作如下描述: 鳍面附着在鱼体背部上的基线为一条曲线; 鳍面上每根鳍条绕基线上相应连接点摆动的幅度不一定相同，在一定范围内受鱼体肌肉的控制，并与当前水流压力有关; 在稳态巡游过程中，每根鳍条的摆动规律基本相同［6］。