多自由度機(jī)器魚(yú)協(xié)同推進(jìn)及機(jī)理方法研究.pdf

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

2、協(xié)同推進(jìn)仿生機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，主要內(nèi)容如下:
　　(1)設(shè)計(jì)了一種二自由度胸鰭和三關(guān)節(jié)柔性身體協(xié)同推進(jìn)的仿生機(jī)器魚(yú)。所設(shè)計(jì)仿生機(jī)器魚(yú)以鱈魚(yú)為仿生對(duì)象，其胸鰭機(jī)構(gòu)以MPF模式推進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)前后拍翼運(yùn)動(dòng)、沿鰭軸的搖翼運(yùn)動(dòng)以及二者的復(fù)合運(yùn)動(dòng);三關(guān)節(jié)柔性身體機(jī)構(gòu)和尾鰭以BCF模式推進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的往復(fù)擺動(dòng)。機(jī)器魚(yú)頭部設(shè)計(jì)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(jī)為主控芯片。
　　(2)分別

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

4、br>　　(3)以所建立的水動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，確定了仿生機(jī)器魚(yú)直游和轉(zhuǎn)彎模態(tài)。首先，通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)擺幅、周期、初始角、相位差等基本運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與直游速度、轉(zhuǎn)彎角速度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，初步確定了5種直游模態(tài)，以及3種轉(zhuǎn)彎游動(dòng)模態(tài)。其次，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，并優(yōu)化參數(shù)，最終確定了仿生機(jī)器魚(yú)的直游和轉(zhuǎn)彎模態(tài)。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)基本游動(dòng)行為的方式豐富，且理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合，