水下仿生机器人：红外动捕系统用于机器海豚开发

2024-05-11 07:18:20

研究背景

海洋动物经过长期进化，具有超凡的游动性能。鲸豚类中的海豚除了可以长时间高速游动，还可以完成跃水、空中转体等高难动作。因此，近年来很多学者以海豚为仿生对象开发机器海豚。但是多数研究的动力学模型过于复杂，计算量较大。

为了解决上述问题，深圳大学的巩伟杰老师团队基于胸鳍/尾鳍协同推进模式，采用叶片理论及基于伯努利原理和机翼理论，分别建立了机器海豚的胸鳍和尾鳍的运动学模型和动力学模型。这种模型结构简单，计算量小，便于进行动力学仿真和试验。同时通过对机器海豚运动参数进行分析，利用Matlab进行机器海豚的运动学和动力学仿真，研究不同游动模式和不同运动参数对游动性能的影响。

红外动捕系统起了什么作用

为了验证不同推进模式下机器海豚的游动性能，研究人员进行了测试试验。试验在一个640cm×407cm×150cm的水池中进行，水池周围架设8台NOKOV度量红外光学三维动作捕捉镜头，通过捕捉粘贴在机器海豚上的反光标识点（Marker点）三维空间坐标来获取其游动姿态和运动参数。

图1-试验水池

图2-粘贴了反光标识点的机器海豚

试验结果中，不同模式下结果与仿真结果相吻合。而试验的直游速度低于仿真结果，是由于机器海豚游动过程中波浪扰动产生的阻力。试验验证了这种胸鳍/尾鳍协同推进的动力学模型的有效性，并证明了胸鳍/尾鳍协同推进能提高机器海豚的游动性能，在相同摆频条件下，尾鳍产生主要推进力。

图3-不同推进模式下的仿真与试验

这项研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理，从而提高机器海豚的游动性能。

除了机器海豚，NOKOV度量红外动捕系统还应用于多个仿生机器人开发项目，用于获取动物运动数据，或评估仿生机器人性能。

阅读链接：

仿生学运动特性分析，带来了哪些科研成果？

仿生机器人研究

此外，我们还开发了用于水下场景的动作捕捉系统。

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NOKOV度量水下动作捕捉系统

参考文献：

[1]杨忠华,巩伟杰.胸鳍/尾鳍协同推进的机器海豚动力学建模与仿真[J].船舶工程,2021,43(09):140-145+151.DOI:10.13788/j.cnki.cbgc.2021.09.25.

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