多自由度機器魚協(xié)同推進及機理方法研究.pdf

1、作為仿生智能機器人領(lǐng)域的一個重要研究方向，仿生水下機器人因其在水質(zhì)監(jiān)測、水環(huán)境測量、水下生態(tài)系統(tǒng)觀測、軍事偵察等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景而受到科學界和工程界的廣泛關(guān)注，在身體/尾鰭(Body and/or Caudal Fin，BCF)推進機器魚，以及中央鰭/對鰭(Median and/or Paired Fin，MPF)推進機器魚研究方面已取得很多成果。由于MPF機器魚在推進效率、機動性等方面優(yōu)勢明顯，逐漸成為研究的熱點。本文針對胸尾鰭

2、協(xié)同推進仿生機器魚的游動機理進行研究，主要內(nèi)容如下:
　　(1)設(shè)計了一種二自由度胸鰭和三關(guān)節(jié)柔性身體協(xié)同推進的仿生機器魚。所設(shè)計仿生機器魚以鱈魚為仿生對象，其胸鰭機構(gòu)以MPF模式推進，可實現(xiàn)前后拍翼運動、沿鰭軸的搖翼運動以及二者的復(fù)合運動;三關(guān)節(jié)柔性身體機構(gòu)和尾鰭以BCF模式推進，可實現(xiàn)水平面內(nèi)的往復(fù)擺動。機器魚頭部設(shè)計為密封塑質(zhì)外殼，柔性身體用防水塑膠蒙皮包裹，控制系統(tǒng)以Atmel128單片機為主控芯片。
　　(2)分別

3、針對仿生機器魚直線游動、轉(zhuǎn)彎游動等基本行為進行分析，建立了在胸尾鰭協(xié)同推進情形下的水動力學模型。首先，以生物力學研究成果為依據(jù)，分別給出了二自由度胸鰭的運動學模型和柔性身體/尾鰭擬合Lighthill曲線的運動學模型。其次，以微元分析法為依據(jù)，建立了胸鰭運動的水動力學模型;以童秉綱三維波動板理論為依據(jù)，建立了柔性身體/尾鰭的水動力學模型。最后基于上述結(jié)果，分別給出了仿生機器魚在胸尾鰭協(xié)同推進情形下實現(xiàn)直線游動和轉(zhuǎn)彎行為的水動力學模型。<

4、br>　　(3)以所建立的水動力學模型為基礎(chǔ)，通過數(shù)值分析與實驗驗證相結(jié)合的方式，確定了仿生機器魚直游和轉(zhuǎn)彎模態(tài)。首先，通過數(shù)值仿真計算，對擺幅、周期、初始角、相位差等基本運動學參數(shù)與直游速度、轉(zhuǎn)彎角速度之間的關(guān)系進行分析，初步確定了5種直游模態(tài)，以及3種轉(zhuǎn)彎游動模態(tài)。其次，通過實驗驗證仿真結(jié)果，并優(yōu)化參數(shù)，最終確定了仿生機器魚的直游和轉(zhuǎn)彎模態(tài)。仿真及實驗結(jié)果表明，所設(shè)計機器魚實現(xiàn)基本游動行為的方式豐富，且理論分析結(jié)果與實驗結(jié)果相符合，