0023-仿生機(jī)器魚機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 【CAD圖+說(shuō)明書】
0023-仿生機(jī)器魚機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 【CAD圖+說(shuō)明書】,CAD圖+說(shuō)明書,0023-仿生機(jī)器魚機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),【CAD圖+說(shuō)明書】,仿生,機(jī)器,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad,說(shuō)明書,仿單
摘要仿生機(jī)器魚是指通過(guò)模擬魚類的身體構(gòu)造及其在水中的運(yùn)動(dòng)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)在水下的高效率工作的機(jī)器人裝置。由于其具有的在軍事、民用、科研等領(lǐng)域體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值，因而成為近幾年的研究熱點(diǎn)。本文從國(guó)內(nèi)外的研究狀況著手，介紹了仿生機(jī)器魚的發(fā)展歷史，研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，本文還介紹了國(guó)內(nèi)最新的研究成果。由于兩關(guān)節(jié)仿生機(jī)器魚具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，所以本文著重對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。根據(jù)魚類的生理特征以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以將仿生機(jī)器魚簡(jiǎn)化為三個(gè)獨(dú)立的功能模塊即：升潛模塊、轉(zhuǎn)向模塊、尾部推進(jìn)機(jī)構(gòu)。本文對(duì)這三個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明，并進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算。關(guān)鍵詞 兩關(guān)節(jié) 仿生機(jī)器魚 發(fā)展 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 推進(jìn)機(jī)構(gòu) AbstractBio-mimetic robot fish is aquatic robotic devices which can achieve high efficiency in underwater vehicle by simulating the fishs body construe and the swimming mechanisms employed by fish. As it has broad application prospects and great potential value in the military, civilian, scientific research and other fields, it has become a research focus in recent years. This paper introduced the development history, current situation, development trend of bio-mimetic robot fish. We also have a description for the newest research results at home and abroad.The two-joint bionic robot fish has advantages of simple structure, high reliability, thus this paper descripts progress of its designs and researches. On the base of fishs physical and physiological characteristics of the structure analysis, bionic robot fish is divided into five separate modules, namely: the lifting module, steering module, tail module. This article will have a detail description on the three modules in the design part and give the relevant design calculations of the conduct.Key words: two-joint bionic robot fish development structural design propulsive mechanism第一章緒論11.1課題背景11.1.1仿生機(jī)器魚的現(xiàn)實(shí)意義及發(fā)展趨勢(shì)11.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果21.21 國(guó)外現(xiàn)狀及研究綜述：21.2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及研究綜述：31.2本文的論述內(nèi)容41.3本章小結(jié)5第二章仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述62.1魚類運(yùn)動(dòng)模式分類62.11魚類的BCF波動(dòng)推進(jìn)模式72.2 鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進(jìn)方式機(jī)理及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型92.2.1 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征92.2.2 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型122.3 仿生機(jī)器魚游動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)分析132.4 本章小結(jié)14第三章仿生機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明153.1 仿生機(jī)器魚的整體設(shè)計(jì)思路153.2 尾鰭的外形設(shè)計(jì)163.3 尾柄驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)說(shuō)明173.31 尾柄驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析183.3.2 尾柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選擇223.4 胸鰭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)說(shuō)明243.4.1 仿生機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng)的方案選擇243.4.2 魚體重力浮力的計(jì)算263.4.3 胸鰭電機(jī)的選用及其運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)273.5 仿生機(jī)器魚整體裝配圖293.6 本章小結(jié)30第四章相關(guān)零件的參數(shù)確定以及關(guān)鍵部件的校核314.1相關(guān)零件的設(shè)計(jì)314.1.1 齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)314.1.2 聯(lián)軸器的選擇324.1.3 鍵的選擇334.1.4 軸承的選擇334.1.5 連桿的結(jié)構(gòu)及聯(lián)接334.2 關(guān)鍵零部件的校核334.3 本章小結(jié)37結(jié)論38致謝39參考文獻(xiàn)4041第一章 緒論1.1 課題背景隨著社會(huì)的發(fā)展，陸上資源已有面臨枯竭的趨勢(shì)，于是海洋逐漸成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而對(duì)于海洋資源開發(fā)具有重要作用的水下機(jī)器人也得到了相應(yīng)的發(fā)展。從傳統(tǒng)的采用螺旋槳式推進(jìn)的水下機(jī)器人到最新的采用擺動(dòng)式推進(jìn)的仿生機(jī)器魚的演進(jìn)就是人們探索海洋的腳步的縮影。人類從工業(yè)時(shí)代以來(lái)就從大自然得到過(guò)無(wú)數(shù)的靈感，仿生機(jī)器人即為其中之一，它是仿生學(xué)與機(jī)器人學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，所謂的仿生機(jī)器人是參照不同生物的高級(jí)生命形態(tài)特征，利用現(xiàn)代的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)及制造技術(shù)等實(shí)現(xiàn)從運(yùn)動(dòng)機(jī)理、感知模式、材料結(jié)構(gòu)、信息處理、行為方式到控制協(xié)調(diào)等方面仿生的機(jī)器人系統(tǒng)。魚類在水中經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的進(jìn)化已形成了天然的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢(shì)而仿生機(jī)器魚就是通過(guò)模擬真實(shí)魚類的身體構(gòu)造及其在水下的運(yùn)動(dòng)模式從而實(shí)現(xiàn)了在水下世界的高效率移動(dòng)。當(dāng)前世界各國(guó)都對(duì)仿生機(jī)器魚的研究貢獻(xiàn)了自己的力量，尤以美國(guó)和日本的研究成果最為豐碩，我國(guó)近幾年在這方面的發(fā)展也頗為迅速。1.1.1 仿生機(jī)器魚的現(xiàn)實(shí)意義及發(fā)展趨勢(shì)仿生機(jī)器魚能通過(guò)模擬魚類的身體構(gòu)造及其在水中的運(yùn)動(dòng)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械人在水下的高效率工作。由于其具有的在軍事、民用、科研等領(lǐng)域體現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在價(jià)值，因而成為近幾年的研究熱點(diǎn)。魚類在水中進(jìn)化了上億年，其在水中擁有近乎完美的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)，既可以在持久游速下保持低能耗、高效率, 也可以在拉力游速或爆發(fā)游速下實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性；仿生機(jī)器魚參照魚類的游動(dòng)的推進(jìn)機(jī)制，利用機(jī)械、電子元器件或智能材料來(lái)實(shí)現(xiàn)水下運(yùn)動(dòng)的機(jī)器裝置。通過(guò)深入研究魚類的游動(dòng)機(jī)制原理，一方面可以揭示魚類高效游動(dòng)的奧秘，了解魚類游動(dòng)的力學(xué)效應(yīng)對(duì)魚類的生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、動(dòng)物行為、微觀進(jìn)化和宏觀進(jìn)化的影響；另一方面，也為研制高效率、低噪聲、高機(jī)動(dòng)性、高穩(wěn)定性和易隱蔽的仿生潛水器提供新的思路。預(yù)見，仿生機(jī)器魚(以下簡(jiǎn)稱機(jī)器魚)以其效率高、機(jī)動(dòng)性好、噪音低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小的優(yōu)勢(shì)將在以下領(lǐng)域得到廣泛心用：1)要求作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、范圍大，但本身承載能力或承載空間有限、不能加載太多能源的場(chǎng)合；2)要求機(jī)動(dòng)性能高的場(chǎng)臺(tái)，如管道檢測(cè)，管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用微小型機(jī)器魚可較好地完成作業(yè)任務(wù)；3)海洋生物觀察 常規(guī)螺旋槳推進(jìn)器噪聲大，對(duì)環(huán)境的擾動(dòng)大，使水下運(yùn)動(dòng)裝置很難接近所要觀察的海洋生物，采用微小型機(jī)器魚有望解決這問題；4)海底勘探及海洋救撈等 采用仿生推進(jìn)方式可以容易地進(jìn)入環(huán)境復(fù)雜的海洋空間，如沉船內(nèi)部，珊瑚礁群，完成常規(guī)潛水器所不能完成的作業(yè)任務(wù)；5)軍用方面 由于機(jī)器魚噪聲低、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)小、不易被聲納發(fā)現(xiàn)、易于隱蔽，它不僅為人們研制新型高效、低噪聲、機(jī)動(dòng)靈活的柔性潛艇提供了新的思路，而且可直接進(jìn)行水下偵察，發(fā)現(xiàn)敵打雷區(qū)，跟蹤及摧毀敵方潛艇等。因此我們不難想象，在未來(lái)的時(shí)間內(nèi)，仿生水下推進(jìn)器的理論定會(huì)更加深入，外形及仿真實(shí)驗(yàn)也將增加，仿生機(jī)械魚也將應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活的各個(gè)領(lǐng)域。1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果人們對(duì)于仿生機(jī)械魚的研究最早是從研究魚類的運(yùn)動(dòng)機(jī)理開始的，早在1926年布里德就提出了基于魚類推進(jìn)模式的分類即周期游動(dòng)和瞬態(tài)游動(dòng)。而對(duì)于魚類的游動(dòng)機(jī)理的研究則始于1950年Geoffrey Taylor,他通過(guò)對(duì)微生物和蠕蟲進(jìn)行細(xì)長(zhǎng)體流動(dòng)分析率先提出了抗力原理。隨后Lighthill將細(xì)長(zhǎng)魚身的運(yùn)動(dòng)放在橫流截面中來(lái)研究提出了“細(xì)長(zhǎng)體理論”和“大擺幅細(xì)長(zhǎng)體理論”。1960年，吳耀祖應(yīng)用勢(shì)流理論和線性邊界層條件對(duì)柔性二維波動(dòng)板的推進(jìn)性能進(jìn)行了研究，提出了“二維波動(dòng)板理論”。1961年加州理工大學(xué)的T.Y.W提出的加入了前緣吸力及尾緣尾跡的作用二維波動(dòng)模型及后來(lái)的作動(dòng)盤理論等都為仿生機(jī)械魚的產(chǎn)生奠定了理論方面的基礎(chǔ)。1.21 國(guó)外現(xiàn)狀及研究綜述：1994年麻省理工學(xué)院(MIT)的M.Triantafyllou研究組(以下簡(jiǎn)稱MT)成功研制世界上第一條真正意義上的仿生金槍魚(Robotuna)（見圖1.1），開啟了機(jī)器魚研制的先河。此后，結(jié)合仿生學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)和自動(dòng)控制的新發(fā)展，機(jī)器魚研制漸成熱點(diǎn)。見下圖1995年，MIT推出了Robotuna的改進(jìn)版機(jī)器魚“Pike”，旨在研究魚的機(jī)動(dòng)性和靜止?fàn)顟B(tài)下的加速性。1995年，樂海大學(xué)的Kato實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了研究人工胸鰭機(jī)動(dòng)性和推進(jìn)的測(cè)試平臺(tái)仿黑色鱸魚機(jī)器魚(Blackbass)。1998午Draper實(shí)驗(yàn)室推出了robotuna的最高版本VCUUV（ vorticity control unmanned undersea vehicle）。1996年，美國(guó)新墨西哥大學(xué)Methran Mojarrad研究小組將高分子電解質(zhì)離子交換膜(IEM)鍍?cè)诜律~鰭的金屬簿片上，通過(guò)外加電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)人造合成肌肉運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了類似鰻魚的游動(dòng)方式。1999年，德州農(nóng)工大學(xué)(Texas AM university)宇航工程系應(yīng)用SMA驅(qū)動(dòng)技術(shù)開發(fā)了一種帶脊柱的水下仿生潛器。2008年一家美國(guó)公司研發(fā)出一款名叫“海洋跳躍者”的海豚潛艇，該海豚潛艇在外型上酷似海豚，且可以像海豚一樣潛水、跳躍等動(dòng)作，其內(nèi)部由性能強(qiáng)勁的轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)潛水速度可達(dá)32公里/小時(shí)，最大潛水深度及水上跳躍高度分別可達(dá)1.52米和3.04米（發(fā)明與創(chuàng)新2008年第十期）日本在機(jī)器魚的研制方面?zhèn)戎赜谖⑿蜋C(jī)器魚和振動(dòng)翼推進(jìn)船的研究上。 名古屋大學(xué)研制出采用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的微型身體波動(dòng)式水下推進(jìn)器和壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的雙鰭魚型微機(jī)器人。日本運(yùn)輸省船舶技術(shù)研究所（NMRI）研制的一系列機(jī)器魚中的UPF-2001,旨在研究機(jī)器魚的高性能和多用途。日本東海大學(xué)Kato實(shí)驗(yàn)室為了研究人工胸鰭機(jī)動(dòng)性和推進(jìn)性能而研制的測(cè)試平臺(tái)人工胸鰭黑鱸魚。日本的三菱重工（MHI）開始生產(chǎn)面向市場(chǎng)的機(jī)器強(qiáng)棘魚和金色鯉魚外形機(jī)器魚。Takra 公司先后研制的機(jī)器魚和機(jī)器水母。英國(guó)的Essex 大學(xué)研制的G系列和MT系列機(jī)器魚，比利時(shí)的Vrije大學(xué)的機(jī)器魚智能體研究和Herriot Watt 大學(xué)的FLAPS項(xiàng)目等均取得了一定的成績(jī)。1.2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及研究綜述：在魚類推進(jìn)機(jī)理研究和仿生機(jī)器魚研制方面國(guó)內(nèi)起步較晚。80年代中后期，中國(guó)科技大學(xué)的童秉綱和程健宇博士采用半解析、半數(shù)值的方法，提出了三維波動(dòng)板理論得到了國(guó)際上魚類生物力學(xué)研究群體的廣泛認(rèn)同和運(yùn)用。1994年華中理工大學(xué)開展了柔性尾鰭推進(jìn)裝置的實(shí)驗(yàn)與理論研究，初步探討了尾鰭參數(shù)與推進(jìn)效率之間的關(guān)系。哈爾濱工程大學(xué)在國(guó)防基金的支持下開展了仿生機(jī)器章魚的研究。其主要目的是用于輔助打撈沉船，近期他們又研制一 條仿生金槍魚。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下開展了水下機(jī)器人仿魚鰭推進(jìn)機(jī)理的研究，建立了利用彈性元件提高驅(qū)動(dòng)效率的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所制作了兩關(guān)節(jié)的仿生機(jī)器魚模型；北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所深入開展了仿生機(jī)器魚(潛水器)技術(shù)的研究，提出了“波動(dòng)推進(jìn)理論”及其分析方法。2001年3月又研制了仿生“機(jī)器海豚”，并在北京航空航天人學(xué)水洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了速度功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)、魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和魚體運(yùn)動(dòng)阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)。2001年中科院自動(dòng)化所復(fù)雜系統(tǒng)與智能科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和北航機(jī)器人所聯(lián)合開展“多微小型仿生機(jī)器魚群體協(xié)作與控制的研究”。同年研制的金魚一號(hào)ROV和CR02 AUV在云南撫仙湖水下古建筑群的考古調(diào)查中進(jìn)行協(xié)助工作。圖1.1 中科院研制的機(jī)器魚北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所于2001年3月研制成功了第一臺(tái)仿生機(jī)器魚，在此基礎(chǔ)上我國(guó)第一條可用于實(shí)際應(yīng)用的仿生機(jī)器魚SPC-II仿生機(jī)器魚誕生了。2004年8月在福建東山冬古灣古沉船遺志處進(jìn)行了一次特別的考古實(shí)驗(yàn)通常情況下確認(rèn)遺址、采集圖像等考古人員親自完成的任務(wù)換做了由北航機(jī)器人研究所研制的SPC-機(jī)器魚來(lái)完成。(見下圖圖1.2 北京航空航天大學(xué)的機(jī)器魚2004年北京大學(xué)系統(tǒng)與控制研究中心開發(fā)出一系列特殊功能的機(jī)器魚，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析得出了一系列的游動(dòng)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)了魚類的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，并在水下機(jī)器人任務(wù)分配、協(xié)作等方面取得了一系列成果。在此基礎(chǔ)之上北京大學(xué)以海豚為仿生對(duì)象，研制開發(fā)了三代機(jī)器海豚的樣機(jī)。如Robodollphin-。圖1.3 北京大學(xué)研制的機(jī)器海豚1.2 本文的論述內(nèi)容本文首先介紹了有關(guān)魚類的游動(dòng)模式的一些基本分類，并對(duì)魚類游動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，通過(guò)一些特征參數(shù)和描述性方程來(lái)定義魚類的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。其次，本文將有關(guān)的仿生機(jī)器魚的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀也一一羅列出來(lái)以供讀者參考。仿生機(jī)器魚具有如此大的現(xiàn)實(shí)意義及未來(lái)前景，應(yīng)該得到我們的注視。我們通過(guò)魚類的身體結(jié)構(gòu)以及生理特征對(duì)仿生機(jī)器魚的整體功能做了簡(jiǎn)單規(guī)劃，將其歸納為三個(gè)功能模塊即升潛模塊、轉(zhuǎn)向模塊及尾部模塊。對(duì)于重要的尾部模塊，本文對(duì)其進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的仿真分析，從理論上論證了它的可行性。整個(gè)的設(shè)計(jì)過(guò)程包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)的初步確定，相關(guān)零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，重要零件的校核，以及最后的完成圖紙的繪制工作。1.3 本章小結(jié)本章主要介紹了有關(guān)仿生機(jī)器魚的一些發(fā)展歷史，國(guó)內(nèi)外對(duì)于魚類游動(dòng)機(jī)理的一些概述，以及具體的仿生機(jī)器魚的研制作品；同時(shí)還對(duì)仿生機(jī)器魚的現(xiàn)實(shí)意義以及發(fā)展前景做了簡(jiǎn)明扼要的論述和它的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。第二章 仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)學(xué)描述魚類屬于脊椎動(dòng)物種群，其身體的構(gòu)造是由多根脊椎骨相互連接而成，采用尾鰭推進(jìn)的魚類在游動(dòng)時(shí)通過(guò)其脊椎曲線的波動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力，因此魚類的身體可以看作為由一系列的鉸鏈連接而成的擺動(dòng)鏈組成，可以用鉸鏈來(lái)簡(jiǎn)化其擺動(dòng)部位。魚類游動(dòng)的仿生主要是在研究魚類的波動(dòng)推進(jìn)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)魚類游動(dòng)方式進(jìn)行仿生，主要仿生魚類的擺動(dòng)部位的波動(dòng)方式。因此，我們?cè)趯?duì)魚類身體擺動(dòng)部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，從魚的靜態(tài)身體特征和動(dòng)態(tài)游動(dòng)特征來(lái)提取特征參數(shù)，建立其數(shù)學(xué)模型魚類與游動(dòng)特征相關(guān)的主要身體特征參數(shù)有：1）擺動(dòng)部分長(zhǎng)度占身體總長(zhǎng)度的比例（r）。根據(jù)r由大到小可以把魚類分為鰻鱺科（如鰻鱺、黃鱔、泥鰍等）、鲹科（如鮭魚、草魚、鰱魚等）、鮪形科（如大白鯊、金槍魚等）等隨著r的減小，其游動(dòng)效率增高，產(chǎn)生的游動(dòng)速度增加，機(jī)動(dòng)性能降低。2）擺動(dòng)部分簡(jiǎn)化關(guān)節(jié)數(shù)（n）。擺動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)n越大，其身體的游動(dòng)靈活性越高。3）擺動(dòng)關(guān)節(jié)各個(gè)關(guān)節(jié)之間的長(zhǎng)度比例（L1:L2:.:Ln）。關(guān)節(jié)長(zhǎng)度相對(duì)短的部位，其關(guān)節(jié)密集度較高，此處柔性比較大。4）尾鰭的形狀（圓形尾鰭、梯形尾鰭、新月形尾鰭以及不對(duì)稱尾鰭）。如海豚為新月形尾鰭，鯊魚多為不對(duì)稱尾鰭，草魚為梯形尾鰭等。2.1 魚類運(yùn)動(dòng)模式分類海洋生物中, 鯊魚、金槍魚等采用的鲹科魚類加新月形尾鰭推進(jìn)模式被認(rèn)為是效率最高、速度最快的推進(jìn)模式, 這種推進(jìn)模式還被認(rèn)為是水下運(yùn)動(dòng)裝置的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用鲹科魚類加新月形尾鰭模式游動(dòng)的魚類, 在向前游動(dòng)過(guò)程中尾鰭作擺動(dòng)與平動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng),其擺動(dòng)軌跡近似正弦曲線。在游動(dòng)過(guò)程中, 身體前三分之二部分幾乎保持剛性, 特別明顯的側(cè)向位移僅僅發(fā)生在尾鰭以及尾鰭與身體相連的狹窄區(qū)域(后頸部), 其良好的流線型身體可以極大地減小形體阻力, 尾鰭產(chǎn)生超過(guò)百分之九十的推進(jìn)力。根據(jù)魚類游動(dòng)使用的身體部位不同可以將魚類游動(dòng)分為身體和或尾鰭推進(jìn)(Body andor caudal fin propulsion，BCF)模式及中鰭和或?qū)捦七M(jìn)(Media andor paired fin propulsion，MPF)模式大多數(shù)的魚類通過(guò)將它們的身軀彎曲成一個(gè)延伸至尾鰭的向后移動(dòng)的推進(jìn)波來(lái)產(chǎn)生推力，這種游動(dòng)形式屬于BCF運(yùn)動(dòng)型。其他魚類的游動(dòng)采取另外一種游動(dòng)機(jī)制，它們利用奇鰭和偶鰭，屬于MPF運(yùn)動(dòng)型。雖然偶鰭包括胸鰭和腹鰭，后者（盡管是具有穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的作用）對(duì)于前進(jìn)的推力毫無(wú)益處，并且在現(xiàn)有文獻(xiàn)的分類中也沒有涉及到他們的特殊運(yùn)動(dòng)模式。據(jù)估計(jì)15%的魚群使用非BCF運(yùn)動(dòng)類型作為它們?nèi)粘；顒?dòng)的推進(jìn)形式，然而更多數(shù)的大部分則通常將BCF模式作為推進(jìn)形態(tài)，而將MPF模式用來(lái)保持穩(wěn)定和靈活。所以下文主要將對(duì)魚類的BCF運(yùn)動(dòng)類型進(jìn)行介紹。2.11 魚類的BCF波動(dòng)推進(jìn)模式BCF模式通過(guò)波動(dòng)身體的某部分和尾鰭，形成向后的推進(jìn)波，包括鰻鱺模式、亞鲹科模式、鲹科模式、鮪魚模式和箱鲀魚科模式。大多數(shù)魚類，都采用這種推進(jìn)方式。BCF模式可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速、高效率的游動(dòng)，在波動(dòng)BCF模式下推進(jìn)波以相反于整體運(yùn)動(dòng)的方向并高于整體游動(dòng)的速度通過(guò)魚身。1）鰻鱺模式（見下圖）圖2.1 鰻魚鰻鱺模式的游動(dòng)方式是純波動(dòng)的方式,它的大部分身體或全部的身體都參與了波動(dòng)的推進(jìn),在推進(jìn)的過(guò)程中波動(dòng)振幅很大而且至少有一個(gè)的波長(zhǎng)在身體上出現(xiàn),這樣波動(dòng)產(chǎn)生側(cè)向力可以互相抵消。這類魚的身體細(xì)長(zhǎng),尾鰭也很小。2）亞鲹科模式圖2.2 鮭魚亞鲹科模式的游動(dòng)推進(jìn)方式跟鰻鱺模式很像,它們之間最大的不同就在于后者波動(dòng)振幅比前者小,而且其身體的波動(dòng)部分是由身體的前1/3或1/2部分開始的。這類魚的典型代表是鮭魚，見圖2.2.3)鲹科模式圖2.3 鯡魚鲹科模式的游動(dòng)推進(jìn)方式,其身體的波動(dòng)由后l/3處開始,其推力主要由比較硬的尾鰭產(chǎn)生,這樣其側(cè)面的流體和漩渦較易形成,從而會(huì)有較少的能量損失,效率也得到了提高,游動(dòng)速度比鰻鱺模式和亞鲹科模式都要快?？墒瞧洳粍?dòng)的身體降低了其加速能力,同時(shí)由于側(cè)向力主要集中在尾部,身體的反作用力也將增加。4）金槍魚模式圖2.4 飛魚金槍魚模式的推進(jìn)方式是效率最高，速度最快的游動(dòng)推進(jìn)方式。由于相比之下具有高速、高效的特點(diǎn),金槍魚模式的推進(jìn)方式很適合用于水下航行器。目前,有多個(gè)航行器較成功的采用了這種推進(jìn)方式。2.2 鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進(jìn)方式機(jī)理及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型在對(duì)魚類推進(jìn)機(jī)理的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn):魚類有很多種適合自身生存條件的游動(dòng)方式,圖1.2中鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進(jìn)方式是效率最高、速度最快的推進(jìn)方式,海洋中游速最快的魚類(金槍魚、海豚、鯊魚)都采用這種游動(dòng)方式。該方式中推進(jìn)運(yùn)動(dòng)限制在身體后三分之一,僅通過(guò)尾部(堅(jiān)硬的月牙形尾鰭和尾柄)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生超過(guò)90%的推力;同時(shí)魚體的形狀和重量分布保證了身體前三分之二橫向移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的極小。在游動(dòng)過(guò)程中,月牙形尾鰭做橫移和左右擺動(dòng)(或升沉和上下擺動(dòng))的一種復(fù)合運(yùn)動(dòng),并隨著魚體前進(jìn)劃出波浪形的軌跡。研究表明,月牙形尾鰭的展弦比、形狀、硬度、擺動(dòng)幅度都對(duì)推進(jìn)的效率產(chǎn)生影響。由于相比之下具有高速、高效的特點(diǎn),鲹科結(jié)合月牙形尾鰭推進(jìn)方式很適合用于水下航行器。目前,已有多個(gè)航行器較成功的采用了這種方式。本文所進(jìn)行的工作也是以這種推進(jìn)方式為計(jì)算對(duì)象的。2.2.1 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征鲹科結(jié)合新月形尾鰭魚類的魚體波為一波幅漸增的正弦曲線，魚體波波幅包絡(luò)線具有二次曲線特征，魚體波可通過(guò)波幅包絡(luò)線與正弦曲線的合成得到。如圖2.5所示，坐標(biāo)系原點(diǎn)取在魚體波幅為零處，魚的游動(dòng)方向?yàn)?x 軸正方向，魚體位于x軸負(fù)方向。則魚體波波幅包絡(luò)線的數(shù)學(xué)描述為：Yb（x）=（c1x+c2x2）式中yb（x）為波幅包絡(luò)線函數(shù)；C1為線性波幅包絡(luò)線系數(shù)；C2為二次波幅包絡(luò)線系數(shù)；魚體波波幅包絡(luò)線系數(shù) c1、c2 的數(shù)值與魚游動(dòng)速度、魚體尺寸、魚游動(dòng)姿態(tài)等因素有關(guān)。通過(guò)控制 c1、c2 的取值，可達(dá)到控制尾鰭擺動(dòng)軸的擺幅，調(diào)整身體波波幅分布的目的。圖2.5 魚體波及波幅包絡(luò)線尾鰭的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由于魚體和后頸部的波動(dòng)而引起的，尾鰭的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生主要的擊水動(dòng)作。尾柄與尾鰭相連的區(qū)域可以簡(jiǎn)化為一平面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，尾鰭繞該關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，尾鰭的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)主要為尾鰭的擊水動(dòng)作提供合適的擊水角度。對(duì)于鲹科結(jié)合新月形尾鰭推進(jìn)模式魚類，尾鰭的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)和平動(dòng)運(yùn)動(dòng)之間存在一定的相位差，該相位差對(duì)于推進(jìn)力的產(chǎn)生具有重要意義。圖2.6給出鲹科結(jié)合新月形尾鰭魚類在一維穩(wěn)態(tài)游動(dòng)情況下，尾鰭在一個(gè)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的軌跡。當(dāng)尾鰭由平衡位置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，尾鰭與游動(dòng)方向的夾角為最大值；當(dāng)尾鰭平動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅值增大時(shí)，尾鰭與游動(dòng)方向的夾角逐漸減?。划?dāng)尾鰭平動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅值最大時(shí)（t=T/4）,尾鰭與游動(dòng)方向平行；當(dāng)尾鰭反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，尾鰭繞自身擺動(dòng)軸擺動(dòng)，尾鰭與游動(dòng)方向的夾角逐漸增大；當(dāng)尾鰭反向運(yùn)動(dòng)到平衡位置時(shí)（t=T/2），尾鰭與游動(dòng)方向之間的夾角達(dá)到最大值；當(dāng)尾鰭反向運(yùn)動(dòng)到幅值最大時(shí)（t=3T/4）,尾鰭與游動(dòng)方向平行。圖2.6 尾鰭的擺動(dòng)平動(dòng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)尾鰭最大擊水角度 尾鰭的擊水角度 為尾鰭中心線與尾鰭擺動(dòng)軸軌跡切線間的夾角，其中，尾鰭最大擊水角度max 的定義如圖2.7所示，即尾鰭擺動(dòng)軸擺幅為零時(shí)，尾鰭中心線與尾鰭擺動(dòng)軸軌跡切線間的夾角。圖2.7 最大擊水角度max定義實(shí)驗(yàn)分析表明，當(dāng)最大擊水角度max = 0時(shí)，尾鰭的運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生擊水動(dòng)作，所受到的介質(zhì)反作用力為零，不產(chǎn)生推進(jìn)力。當(dāng)最大擊水角度max由0逐漸增加到250時(shí)，尾鰭的中心線與尾鰭擺動(dòng)軸切線間夾角逐漸增大，由于尾鰭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的介質(zhì)反作用力在游動(dòng)方向上的分量逐漸增大，產(chǎn)生的推進(jìn)力逐漸增大。當(dāng)最大擊水角度max由25 0增加到300時(shí)，尾鰭幾乎水平的橫向擺動(dòng)，在這種情況下由于尾鰭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的介質(zhì)反作用力與游動(dòng)方向幾乎垂直，在游動(dòng)方向的力分量幾乎為零，不產(chǎn)生推進(jìn)力。當(dāng)最大擊水角度max大于400時(shí)，由于尾鰭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的介質(zhì)反作用力在魚游動(dòng)方向上力分量的方向與魚的游動(dòng)方向相反，尾鰭產(chǎn)生的是阻力。因此，在機(jī)器魚的設(shè)計(jì)中尾鰭最大擊水角度應(yīng)該選擇在150至250之間。尾鰭擺動(dòng)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)相位差 尾鰭擺動(dòng)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)相位差主要通過(guò)影響尾鰭的擊水角度，進(jìn)而影響尾鰭在一個(gè)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的做功的性質(zhì)，決定尾鰭的運(yùn)動(dòng)對(duì)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)而言是做正功還是負(fù)功。實(shí)驗(yàn)分析表明：當(dāng)尾鰭擺動(dòng)平動(dòng)運(yùn)動(dòng)相位差00時(shí)，尾鰭的運(yùn)動(dòng)在第一個(gè)1/4 周期和第三個(gè)1/4 周期內(nèi)產(chǎn)生推進(jìn)力，而在第二個(gè)和第四個(gè)1/4周期內(nèi)產(chǎn)生負(fù)的推進(jìn)力（推進(jìn)力的方向與魚游動(dòng)方向相反）。當(dāng)相位差逐漸增大時(shí)，尾鰭的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力的運(yùn)動(dòng)周期逐漸增加，在相位差900時(shí)最大。如果繼續(xù)增加值，對(duì)推進(jìn)力的產(chǎn)生并無(wú)益處。因?yàn)樵谶@種情況下會(huì)出現(xiàn)尾鰭幾乎水平地橫向擺動(dòng)，以及不產(chǎn)生擊水動(dòng)作等情況。通過(guò)以上分析我們可以得到尾鰭擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)與平動(dòng)運(yùn)動(dòng)的相位差為900左右，這與鲹科結(jié)合新月形尾鰭推進(jìn)模式魚類游動(dòng)的觀察結(jié)果一致。尾鰭后緣擺幅 尾鰭后緣最大擺幅ATmax是描述尾鰭運(yùn)動(dòng)的臨界參數(shù)，如圖2.8所示，ATmax取決于以下三個(gè)參數(shù)：(1) 尾鰭擺動(dòng)軸平動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅值 H；(2) 尾鰭擺動(dòng)軸平動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅值最大時(shí)尾鰭繞自身擺動(dòng)軸的擺角p ；(3) 尾鰭擺動(dòng)軸距尾鰭后緣的距離d f。研究表明：尾鰭后緣最大擺幅在一維穩(wěn)態(tài)游動(dòng)情況下約為 0.1 倍體長(zhǎng)。圖2.8 ATmax的定義斯德魯哈爾數(shù) St 斯德魯哈爾數(shù)St是表達(dá)尾流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的參數(shù)，對(duì)于通過(guò)尾鰭擺動(dòng)游動(dòng)的魚而言，其斯德魯哈爾數(shù)為St=fATmax/U式中 f尾鰭擺動(dòng)頻率,單位 Hz；ATmax尾流寬度（通常取尾鰭后緣最大擺幅）；U平均游動(dòng)速度。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于推進(jìn)效率而言St存在一個(gè)最佳值范圍：0.25St0.40。這是機(jī)器魚的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要考慮的問題。2.2.2 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型在一維穩(wěn)態(tài)游動(dòng)的情況下，將鲹科結(jié)合新月形尾鰭推進(jìn)模式魚類的魚體簡(jiǎn)化為如圖2.7所示的模型。該模型中魚體簡(jiǎn)化為二維的無(wú)限柔軟的樣條曲線，尾鰭簡(jiǎn)化為剛性的平板，該平板做平動(dòng)與繞自身擺動(dòng)軸擺動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。身體曲線與魚體中心線重合。起始于頭部，終止于尾部。尾柄與尾鰭相連的部分簡(jiǎn)化成一個(gè)平面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，尾鰭繞該關(guān)節(jié)按一定方式旋轉(zhuǎn)。尾鰭在特定的擺動(dòng)平動(dòng)復(fù)合情況下產(chǎn)生最佳的推進(jìn)性能。圖2.9 鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的物理簡(jiǎn)化模型運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立首先是要建立穩(wěn)態(tài)游動(dòng)魚體波數(shù)學(xué)模型，由仿生學(xué)研究知尾鰭擺動(dòng)軸波幅為 0.0750.1倍體長(zhǎng)?？紤]圖2.7中的坐標(biāo)系，將坐標(biāo)原點(diǎn)取在魚的頭部，取魚的游動(dòng)方向?yàn)?x 軸的正方向，魚體位于 x 軸的負(fù)方向，魚體長(zhǎng)度為L(zhǎng)b。根據(jù)魚體波為一波幅逐漸增大的行波特征，魚體波曲線可通過(guò)魚體波波幅包絡(luò)線與正弦曲線的合成來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述：Yb（x,t）=(c1x+c2x2) sin(kx+t)式中yb魚體橫向位移（波幅）；身體波波長(zhǎng)；k身體波波數(shù)，k=2/;身體波頻率，=2ft=2/T;以上參數(shù)中，身體波的波動(dòng)及尾鰭擺動(dòng)頻率根據(jù)魚體的長(zhǎng)度不同而變化。研究發(fā)現(xiàn)，在相同游動(dòng)速度情況下，體長(zhǎng)較大的魚比體長(zhǎng)較小的魚身波動(dòng)頻率小。在一維穩(wěn)態(tài)游動(dòng)過(guò)程中，通常魚體波波長(zhǎng) 1L B (L B為魚體長(zhǎng))，即身體長(zhǎng)度上魚體波波數(shù)k1，這意味著在仿魚水下推進(jìn)器的設(shè)計(jì)中不需要復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生足夠的柔韌性以模擬魚體的多個(gè)身體波，這有利于仿魚水下推進(jìn)器的物理實(shí)現(xiàn)。根據(jù)鲹科結(jié)合月牙尾鰭魚類的穩(wěn)態(tài)游動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式和基本的運(yùn)動(dòng)特征，可以得到較高推進(jìn)效率的產(chǎn)生的條件如下：1） 較大的沉浮振幅與翼展長(zhǎng)度之比，三分之二為最佳；2） 斯特魯哈爾數(shù)St的范圍為;0.25St0.4;3） 最大擊水角度的范圍為：150max250;4） 尾鰭擺幅與弦長(zhǎng)的比值是一個(gè)固定的常數(shù)；5） 尾鰭擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)比平動(dòng)運(yùn)動(dòng)相位角超前約7001100；2.3 仿生機(jī)器魚游動(dòng)過(guò)程中的力學(xué)分析通常情況下，水和水下動(dòng)物兩者密度非常接近，水下動(dòng)物的重力可和其所受浮力基本平衡，魚類游動(dòng)過(guò)程中所受的作用力包括垂直方向上的重力、浮力和升力以及水平方向上的推進(jìn)力和阻力。這里只對(duì)魚游動(dòng)過(guò)程中的阻力和減小阻力的途徑進(jìn)行分析。1) 粘滯阻力 海豚皮膚表面與邊界水層之間的摩擦力(粘滯阻力或摩擦阻力)。粘滯阻力的出現(xiàn)的原因是具有大的速度梯度的水的粘性。摩擦阻力主要取決于魚體的過(guò)水面積，浮游速度以及其邊界層流體的性質(zhì)。2)形體阻力 形體阻力是由于海豚身體的運(yùn)動(dòng)使周圍的流體(水)產(chǎn)生變形所產(chǎn)生的，取決于海豚身體的形狀。3)感生阻力 海豚尾鰭或胸鰭產(chǎn)生推進(jìn)力或升力時(shí)形成的渦流所造成的能量損失(渦流或感生阻力)，感生阻力在很大程度上依賴于這些鰭的形狀及運(yùn)動(dòng)形式。粘滯阻力或摩擦阻力主要影響微小生物的低雷諾數(shù)游動(dòng)，而形體阻力和感生阻力等主要影響鲹科魚類及鲹科結(jié)合新月形尾鰭推進(jìn)模式魚類的高雷諾數(shù)游動(dòng)。具有高速游動(dòng)能力的魚類，除了采取高效的推進(jìn)方式以外，還通過(guò)多種途徑減少游動(dòng)阻力，對(duì)于這方面的研究，在提高仿魚型推進(jìn)裝置的速度和效率等方面具有重要意義。關(guān)于魚類在游動(dòng)中的減阻機(jī)制，可分為以下幾點(diǎn)：1）魚身具有低阻的外形 魚體通常為紡錘形體或扁平形流線體，其縱軸鉛垂軸之比約為 37，背鰭、胸鰭、腹鰭和身體截面寬度組合、分布合理，這樣的外形在游動(dòng)時(shí)保持邊界層為層流狀態(tài)，而且不致引起流動(dòng)分離。2) 邊界層流動(dòng)控制 第一類情況是保持層流流態(tài)。例如有些魚皮上有孔，皮下有槽，可以溝通邊界層前后的壓力差，增強(qiáng)流動(dòng)穩(wěn)定性。還有一些魚可從后體上的許多孔中噴、吸水，其原理與當(dāng)今的環(huán)量控制機(jī)翼相似。第二類情況是控制湍流邊界層以減阻。許多游速較高魚類的表面不是光滑的，有魚鱗或其表皮形成凹凸槽口，在當(dāng)今在航空領(lǐng)域中，表面棱紋的減阻效應(yīng)己經(jīng)被證實(shí)，正付諸實(shí)際應(yīng)用。第三類情況是控制流動(dòng)分離，例如蓖麻油魚皮上有許多突出物，具有旋渦發(fā)生器的作用，以阻滯分離。又如新月型魚尾的尾柄上、下側(cè)往往有鋸齒狀鱗片，以減少新月型魚尾前的橫流，并延遲氣流分離。3）魚體表面的減阻作用 魚體表面的粘液含有某種高分子聚合物，在某些條件下對(duì)邊界層中的湍流起抑制作用，從而可以減少摩擦阻力。2.4 本章小結(jié)本章對(duì)仿生機(jī)器魚的推進(jìn)模式做了較為詳細(xì)的介紹，并對(duì)鲹科結(jié)合月牙尾鰭推進(jìn)方式的魚類的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行了分析，結(jié)合它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型給出了仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)過(guò)程中較為重要的幾個(gè)參數(shù)的范圍。魚類游動(dòng)過(guò)程中的受力情況也在本章的討論范圍之內(nèi)，我們著重對(duì)魚類游動(dòng)過(guò)程的阻力以及魚類的減阻機(jī)制做了分類論述。第三章 仿生機(jī)器魚的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明鲹科結(jié)合新月形尾鰭推進(jìn)模式的魚類尾部運(yùn)動(dòng)有兩種形式，一種是左右運(yùn)動(dòng)，如金槍魚、箭魚、鯊魚等魚類；另外一種是上下運(yùn)動(dòng)，如鯨魚、海豚等，兩者原理一樣。本文設(shè)計(jì)的兩關(guān)節(jié)機(jī)器魚將以前者作為研究對(duì)象。根據(jù)真實(shí)魚類的身體結(jié)構(gòu)及身體特征，本次對(duì)于仿生機(jī)器魚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將采用將功能模塊化的設(shè)計(jì)思想即將仿生機(jī)器魚分解為三個(gè)獨(dú)立的功能模塊：尾部模塊、升潛模塊、轉(zhuǎn)向模塊。3.1 仿生機(jī)器魚的整體設(shè)計(jì)思路魚類可以通過(guò)使身體的外形及胸鰭尾鰭變成流線型來(lái)使水的阻力降到最小。目前發(fā)現(xiàn)的最有效的流線型輪廓形狀的是梭狀紡錘型，其的特點(diǎn)是魚體類似于淚珠狀的形狀，在身體的前端是圓形的前沿，然后延伸到最大厚度處，最后緩慢地過(guò) 渡到尖細(xì)的尾鰭。本文采用近似梭狀紡錘型的簡(jiǎn)化體，將后半部分的曲線簡(jiǎn)化為兩段直線，這樣即能減小曲線設(shè)計(jì)的麻煩又能保證仿生機(jī)器魚所需的流線型外表，如下圖所示。1）細(xì)長(zhǎng)比 是一個(gè)表征流線型程度的指標(biāo)，其定義為FR=BL/T，其中BL為體長(zhǎng),T為最大厚度處。研究表明細(xì)長(zhǎng)比FR為4.5時(shí)的流線型形體具有最小的阻力和表面積，同時(shí)具有最大的體積，并且能夠減少75%的阻力系數(shù)。2）由于鲹科結(jié)合月牙尾鰭游動(dòng)的魚類身體的前部具有極大的剛性，根據(jù)真實(shí)魚類的情況取尾部為魚的全體長(zhǎng)度三分之一。圖3.1 仿生機(jī)器魚整體結(jié)構(gòu)尺寸分布圖尾鰭的擺動(dòng)平動(dòng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)是仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)中首先應(yīng)該考慮的問題。根據(jù)前人研究結(jié)果，以下面參數(shù)為主要的設(shè)計(jì)參考：1) 尾鰭最大擊水角度max，150max250；2) 尾鰭擺動(dòng)平動(dòng)相位差，=900；3) 尾鰭擺動(dòng)軸平動(dòng)運(yùn)動(dòng)幅值 H，H=(0.0750.1LB)；4) 尾鰭擺動(dòng)后緣最大擺幅ATmax, ATmax=0.1LB ；推進(jìn)力和推進(jìn)效率是將仿生機(jī)器魚應(yīng)用于實(shí)際的重要因素，我們致力于高效、高速度、高機(jī)動(dòng)性的仿生機(jī)器魚的研制。主要以下面的參數(shù)為依據(jù)：1) 雷諾數(shù)Re，Re105108；2) 尾流結(jié)構(gòu)參數(shù)斯德魯哈爾數(shù) St，0.25St0,-0，結(jié)合實(shí)際要求則有：-100 （6)-100 （7）轉(zhuǎn)彎性能的影響對(duì)仿生機(jī)器魚，轉(zhuǎn)彎通常是通過(guò)尾鰭偏中位拍動(dòng)，實(shí)現(xiàn)的不對(duì)稱擺尾運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到的，如下圖3.4所示，尾鰭繞與體軸OH成交角0的對(duì)稱擺動(dòng) 角。圖3.4 尾鰭轉(zhuǎn)彎時(shí)的不對(duì)稱擺動(dòng)根據(jù)式()，尾鰭擺動(dòng)規(guī)律：(t)=Avsin（2ft）0此時(shí)，為了保證左右轉(zhuǎn)彎性能相同，則要求 0 所以，轉(zhuǎn)彎性能對(duì)機(jī)構(gòu)的約束條件是： Avsin（2ft）0|0|（）拍動(dòng)中位角度與各連桿長(zhǎng)度關(guān)系奇異性是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的固有性質(zhì)。在奇異位形附近，機(jī)構(gòu)的精度、剛性等各項(xiàng)性能都會(huì)變差，因此必須讓機(jī)構(gòu)在遠(yuǎn)離奇異位形工作。機(jī)構(gòu)工作中位接近可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)行程的中位，使得擺桿工作范圍遠(yuǎn)離機(jī)構(gòu)奇異點(diǎn)，工作較穩(wěn)定。表1 列出了各桿長(zhǎng)度對(duì)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)中位的影響，機(jī)構(gòu)工作范圍在可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)，因而，表一也表達(dá)了各桿長(zhǎng)度對(duì)機(jī)構(gòu)工作中位的影響。表一顯示機(jī)構(gòu)擺動(dòng)可達(dá)范圍中位偏離機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)中位余量滿足模擬魚類體軸中線動(dòng)作的要求，同時(shí)也滿足魚類轉(zhuǎn)彎對(duì)擺動(dòng)角度的要求。在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)擺動(dòng)角度上滿足要求，施加式(1)、(5)規(guī)定的轉(zhuǎn)角規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)電控制，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的模擬魚類擺尾運(yùn)動(dòng)。在式(8) 的約束條件下，在表一中選擇合適的機(jī)構(gòu)參數(shù)即可以實(shí)現(xiàn)魚類轉(zhuǎn)彎的動(dòng)作?；赼dams軟件的機(jī)構(gòu)仿真為了驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性以及可行性有必要對(duì)此五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真參數(shù)值見表二，可知結(jié)構(gòu)擺動(dòng)變化規(guī)律為：（t）=sin（4t-/2）/9 (t)-200,200（）(t)= sin(4t)/9 (t)-200,200（）表二參數(shù)數(shù)值拍動(dòng)頻率桿CF長(zhǎng)m/桿BF長(zhǎng)桿AD長(zhǎng)大小臂電動(dòng)機(jī)軸間距桿CD長(zhǎng)尾鰭固定角尾鰭面攻角角位移幅度尾鰭大臂與尾鰭面擺動(dòng)相位之差開始擺動(dòng)時(shí)，（），（）首先在adams中建立五桿機(jī)構(gòu)的三維模型并添加約束信息，完成之后如下圖：圖3.5 在adams中建立五桿鉸鏈機(jī)構(gòu)的約束模型然后對(duì)、角進(jìn)行測(cè)量可得如下圖所示曲線：圖3.6 機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵點(diǎn)的角位移曲線其中為角的角位移曲線，為角的角位移曲線，F(xiàn)為角的角位移曲線，B為角的角位移曲線。由仿真結(jié)果可知（）的擺動(dòng)中位為，周期為?？梢钥闯?，上圖中的各個(gè)曲線均符合式（）（）的描述。本次仿真還對(duì)及的角速度進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下圖所示：圖3.7 驅(qū)動(dòng)軸的角速度曲線其中A就為的角速度曲線，B就為的角速度曲線。由上圖可知，擺動(dòng)初始位置并非是擺動(dòng)對(duì)稱位置，但從整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期上看，擺動(dòng)呈現(xiàn)周期運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)速度平滑，無(wú)速度變化震蕩狀態(tài)，對(duì)于電動(dòng)機(jī)控制來(lái)講是易于實(shí)現(xiàn)。因而機(jī)構(gòu)整體上是比較合理的。最后，分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)各約束要求，下圖 表示兩種相位差的關(guān)系曲線：圖3.8 約束條件中擺動(dòng)相位的差值曲線其中B為()()的曲線，為()()的曲線。min()() () min()() ()上述兩式的結(jié)果表明實(shí)際擺動(dòng)位置為遠(yuǎn)離機(jī)構(gòu)奇異點(diǎn)。根據(jù)式(19) ，并結(jié)合機(jī)構(gòu)參數(shù)，則 |sin（t）| |另外，機(jī)構(gòu)擺角最大值為35.28o ，最小值為42.51o，可達(dá)擺角的中位為3.62o ，實(shí)際擺角中位0o ，擺動(dòng)范圍為38.89o ，實(shí)際雙側(cè)擺動(dòng)余量最大值為18.89o 。所以，上述設(shè)計(jì)滿足奇異性條件，橫向擺動(dòng)范圍，轉(zhuǎn)彎性能對(duì)機(jī)構(gòu)的約束條件，可以滿足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作要求。3.3.2 尾柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選擇最大負(fù)載力矩的計(jì)算 仿生機(jī)器魚的游動(dòng)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)尾柄機(jī)構(gòu)帶動(dòng)尾鰭產(chǎn)生擊水拍動(dòng)動(dòng)作，在此過(guò)程中可以把機(jī)器魚的尾部看作是一個(gè)剛性的平板（見圖3.9），水對(duì)尾鰭產(chǎn)生的阻力矩即為需要計(jì)算的數(shù)據(jù)。圖3.9 機(jī)器魚力矩計(jì)算模型簡(jiǎn)圖機(jī)器魚的尾部由最大截面積SA來(lái)替代，G點(diǎn)為尾部的重心，r為尾部重心到尾部轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的距離，A為尾部的擺角幅值，F(xiàn)為作用在G點(diǎn)的等效水動(dòng)力，其最大值為Fmax。機(jī)器魚尾部按正弦規(guī)律擺動(dòng)：=Asin2ft式中 f尾鰭擺動(dòng)頻率；t 時(shí)間； 尾部擺角(rad)。則尾部重心速度VG 的大小為：VG= r=2frAcos2ft尾部所受等效水動(dòng)力F 的方向與VG 方向相反，其大小為：F=CDVG2SA/2=2CDSA(frAcos2ft)2式中CD阻力系數(shù)； 流體密度。則驅(qū)動(dòng)尾部擺動(dòng)所需關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩Tq為：Tq=Fr=2CDSA(frAcos2ft) 2r尾鰭運(yùn)動(dòng)到中心線位置時(shí)，cos2ft=1，Tq達(dá)到最大值Tqmax為Tqmax=2CDSAr3(fA)2驅(qū)動(dòng)尾部擺動(dòng)所需的最大功率Wmax為:Wmax=Tqmaxmax =4CDSA(rfA)3式中max尾部擺動(dòng)角速度幅值,max=2fA。根據(jù)樣機(jī)實(shí)際情況，取CD=1.1，=1000kg/m3,r=0.265m,f=2.0Hz,A=/9,SA=0.018m2,在不考慮其他阻力的情況下（魚體阻力，機(jī)械傳動(dòng)的耗損）：Tqmax=6.99Nm， Wm=35.8w。上述計(jì)算結(jié)果是在沒有考慮機(jī)械損耗的條件下給出的，考慮機(jī)械損耗，大臂電機(jī)選取鷗源公司生產(chǎn)的直流減速電機(jī)ZYT63SR作為尾柄機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，外形尺寸如圖3.10.圖3.10 直流減速電機(jī)外型尺寸簡(jiǎn)圖直流減速電機(jī)ZYT63SR部分參數(shù)：額定電壓24V空載轉(zhuǎn)速2000r/min額定電流2.1A電樞電阻2.63最大輸出轉(zhuǎn)矩92.4kgcm額定功率40W重量2.5kg減速比100小臂電機(jī)的選擇同上。3.4 胸鰭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)說(shuō)明魚類升潛行為方式：1）利用魚鰾實(shí)現(xiàn) 絕大多數(shù)的魚類都具有魚漂，魚漂在魚類的沉浮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到很重要的作用。當(dāng)魚需要下沉?xí)r，由于深度的增加，魚體排開水的體積變大，浮力會(huì)阻礙魚體下沉，因此，需要將魚漂內(nèi)的氣體排出一部分，從而使浮力減小，加速下沉。當(dāng)魚需要上浮時(shí)，通過(guò)向魚鰾內(nèi)充氣而使浮力變大，實(shí)現(xiàn)上浮運(yùn)動(dòng)。2)快速改變身體重心實(shí)現(xiàn) 有些鯖類海洋魚類的魚鰾已經(jīng)退化，他們主要用快速游泳控制游動(dòng)的深度。通過(guò)調(diào)節(jié)重心，使得魚體前傾或上仰，然后尾鰭快速擺動(dòng)產(chǎn)生推力使魚體下潛或上浮。3)利用胸鰭實(shí)現(xiàn) 鲹科中的多數(shù)魚類，由于需要快速游動(dòng)，魚鰾的作用便不明顯，因此通過(guò)改變胸鰭的擺動(dòng)頻率和俯仰角度來(lái)實(shí)現(xiàn)沉浮運(yùn)動(dòng)。3.4.1 仿生機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng)的方案選擇1)儲(chǔ)水艙法 其工作的基本原理與魚鰾的作用相同。在機(jī)器魚體內(nèi)裝了儲(chǔ)水槽和水泵，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)水槽的進(jìn)出水量來(lái)調(diào)節(jié)重力與浮力之間的關(guān)系，以此實(shí)現(xiàn)其上浮和下潛運(yùn)動(dòng)。雖然可以實(shí)現(xiàn)沉浮運(yùn)動(dòng)，并可以利用不同比例的進(jìn)出水量實(shí)現(xiàn)精確控制沉浮深度。但該方法還存在一些問題：充水和排水比較慢、空氣壓縮量的控制方法有待研究，如何確定儲(chǔ)水槽尺寸及泵的型號(hào)等。2)胸鰭法 在機(jī)器魚的胸部位置安裝一對(duì)仿生胸鰭，通過(guò)胸鰭的升力實(shí)現(xiàn)上浮下潛動(dòng)作。其工作原理與飛機(jī)機(jī)翼原理類似。機(jī)器魚在游動(dòng)時(shí)，由其體內(nèi)的胸鰭驅(qū)動(dòng)電機(jī)改變胸鰭的運(yùn)動(dòng)方向，從而利用魚體與水流之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，分解出胸鰭在垂直運(yùn)動(dòng)方向上的升力，然后通過(guò)調(diào)節(jié)胸鰭的傾斜角度來(lái)改變升力的大小和方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的沉浮運(yùn)動(dòng)。但在直行游動(dòng)時(shí)這種方法不能很快實(shí)現(xiàn)沉浮運(yùn)動(dòng)，因此胸鰭法可以作為機(jī)器魚實(shí)現(xiàn)沉浮運(yùn)動(dòng)的輔助方法。3）尾鰭擺動(dòng)法 機(jī)器魚通過(guò)改變尾鰭擺動(dòng)的方向來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)力。同時(shí)在機(jī)器魚尾部有一個(gè)機(jī)器裝置來(lái)改變尾鰭的擊水攻角來(lái)產(chǎn)生升力，但是這種方案適用于身體薄而寬的機(jī)器魚中，同時(shí)，也適合模仿尾鰭在垂直面內(nèi)擺動(dòng)的鯨豚類的運(yùn)動(dòng)。4）改變重心法 在機(jī)器魚的頭部和身體上安裝機(jī)器裝置用以改變上浮下潛的運(yùn)動(dòng)方向和角度。其作用原理為：通過(guò)改變?cè)摍C(jī)器裝置（例如配重塊）在魚體內(nèi)的位置來(lái)改變機(jī)器魚的重心位置，魚體重心的改變使得整個(gè)魚體的傾斜方向改變，推動(dòng)力方向也隨之改變，得到垂直于水面的升力，以此實(shí)現(xiàn)上浮下潛運(yùn)動(dòng)。與胸鰭法一樣，調(diào)節(jié)重心法需要魚體有較大的水平運(yùn)動(dòng)速度來(lái)產(chǎn)生垂直于水平面的力。通過(guò)以上的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)水艙法需要安裝水箱等裝置，占用空間大，作用時(shí)間長(zhǎng)，需要考慮防水，不適合仿生機(jī)器魚的實(shí)際情況。擺動(dòng)尾鰭法適用于身體較輕并且很薄的場(chǎng)合。胸鰭法雖然在改變沉浮狀態(tài)上的作用不是特別明顯，但是由于實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單，占用空間小，因此可以作為沉浮運(yùn)動(dòng)的輔助方案。魚體高速游動(dòng)情況下，胸鰭作為升降舵控制魚體升潛的方式能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏的反應(yīng)速度和高效的動(dòng)力學(xué)性能。胸鰭一般安排在魚體頭部附近，成對(duì)狀，攻角可調(diào)；設(shè)計(jì)中參照鲀魚的胸鰭占整個(gè)身體的比例大小和形狀，設(shè)計(jì)了具有單自由度的胸鰭。胸鰭的長(zhǎng)度與鲀魚的體長(zhǎng)相關(guān)， 本文設(shè)計(jì)中胸鰭的外型尺寸取值如下:胸鰭的跨長(zhǎng)L= 112mm，它的弦長(zhǎng)B=90mm。胸鰭的尺寸分布簡(jiǎn)圖如圖3.11.圖3.11 胸鰭簡(jiǎn)圖3.4.2 魚體重力浮力的計(jì)算當(dāng)機(jī)器魚在游動(dòng)中胸鰭轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，由于魚的向前游動(dòng)，水對(duì)胸鰭會(huì)有一定的沖力，由于這個(gè)力較小，所以要求機(jī)器魚在水中的狀態(tài)為懸浮狀態(tài)或接近懸浮狀態(tài)。既然要求機(jī)器魚在水中處于懸浮狀態(tài)，就要求密封完的機(jī)器魚重量等于或略小于魚體排水量，這里設(shè)計(jì)成略小于
收藏