一種新型尾鰭推進(jìn)的機器魚設(shè)計與實驗研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的水下推進(jìn)器相比，仿生機器魚具有推進(jìn)效率高、機動性好和對環(huán)境擾動小等優(yōu)點。因此，仿生機器魚的設(shè)計和研究成為水下機器人領(lǐng)域的一個重要課題。研究表明，對于身體-尾鰭推進(jìn)（簡稱BCF）運動模式的機器魚，推進(jìn)機構(gòu)的工作效率是影響機器魚游速的一個重要因素;具有二維運動空間的尾鰭推進(jìn)器能極大地精簡機器魚的機械結(jié)構(gòu)和運動控制。本文設(shè)計了一款基于新型二自由度尾鰭推進(jìn)機構(gòu)的仿生機器魚，避免了推進(jìn)機構(gòu)中電機頻繁正反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的低傳動效率問題，并且只通過尾

2、鰭就實現(xiàn)了機器魚的直線巡游、轉(zhuǎn)彎、上浮和下潛四種基本運動。機器魚的水下實驗結(jié)果表明，機器魚具有良好的游速和機動性能，可為機器魚的推進(jìn)機構(gòu)設(shè)計提供一種新的參考。主要研究內(nèi)容如下:(1)設(shè)計了一種新型的二自由度尾鰭推進(jìn)機構(gòu)，并完成了機器魚的系統(tǒng)設(shè)計。介紹了在機器魚的設(shè)計過程中需要解決的主要問題和系統(tǒng)構(gòu)成，在比較分析現(xiàn)有推進(jìn)機構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種二自由度尾鰭推進(jìn)機構(gòu)的設(shè)計方案，并給出了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。確定了使用大容量鋰電池和無刷直流電機作為

3、機器魚的動力單元，解決了機器魚的無線通訊設(shè)計和硬件設(shè)備方案設(shè)計。對機器魚的密封方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，借助SolidWorks工具對機器魚的配重進(jìn)行了評估。最終，完成了二自由度尾鰭推進(jìn)仿生機器魚的原理樣機設(shè)計。
　　(2)建立了二自由度尾鰭推進(jìn)機構(gòu)的運動學(xué)方程并進(jìn)行了虛擬樣機仿真分析。介紹了該新型二自由度尾鰭推進(jìn)機構(gòu)的運動原理，以雙斜面轉(zhuǎn)塊和萬向節(jié)的運動一致性作為解決推進(jìn)機構(gòu)運動學(xué)方程的出發(fā)點，推導(dǎo)了推進(jìn)機構(gòu)的運動學(xué)方程，給出了運動學(xué)

4、正、逆解。提出了推進(jìn)機構(gòu)的電機同速同向運動和同速反向運動的兩種運動模式，以及速度和位置的兩種控制模式。在Adams中對機器魚虛擬樣機模型的直線游動、轉(zhuǎn)彎、上浮和下潛方式進(jìn)行了運動學(xué)仿真，給出了尾鰭擺角在相應(yīng)的電機輸入函數(shù)下的變化曲線，驗證了該新型二自由度尾鰭推進(jìn)機構(gòu)用于機器魚的可行性。
　　(3)開展了機器魚的游動測試和實驗結(jié)果分析。根據(jù)運動學(xué)仿真的結(jié)果，建立了五種游動姿態(tài)下的控制策略，給出了相應(yīng)的電機控制參數(shù)變化表，并在Visu