多关节鱼形机器的设计论文Word下载.docx

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外形设计是根据金枪鱼的外形进行多次拟合而归纳而成的。

最终对整个机器鱼进行配重，使重力中心和浮力中心在一条直线上，保证机器鱼能在水中平稳正常运动，同时控制模块中植入远程通信功能。

关键词：

水下鱼形机器人；

运动仿真；

远程通信

ABSTRACT

Accordingtotheunderwaterfish-shapedrobottosimulatethedesign,analysisandverificationbodymovement.UGintheuseofthree-dimensionalmodeling,motionsimulationanddesignofsimulationmodules,thefishhavebeendesignedmachinesystemsimulation,andcomparetheoutputvalueandthenumericalcalculation,inordertoimprovethedesignprocess.Themainfish-machineanalysisoffourparts,namelythedrivemechanism,upsanddownsmechanism,steering,chargingmechanism.Amongthem,thedrivemechanismfromtherearswinginstitutions,fishandfishtailbehindthefirsthalftherearetwooftheswingphase,throughtheswingtohitthewaterinordertopromotethefishforward.RiseandFallofthefunctionalfromthefirsthalfofthefishlateralfinsrotatethroughacertainangletoachieve.Shiftfunction,bythefishthroughthelatterpartofthepelvicrotationtoachieveacertainpointofview,theventralfinfishverticalwiththeanglebetweenthedirectionofchangetobethedrivingforceofwatertotheleftortherightoftheplay,sothatfishcanrotatearounditscenterofgravity.Designisbasedontheshapeoftunaandsummarizedanumberoffittingtogether.Eventuallythewholefishweightmachines,sothatcenterofgravityandbuoyancyinastraightline,thefishcanassureasmoothandnormalmovementinthewater.Controltotransplantlongrangecorrespondenceinthemoldpiecefunctioninthemeantime.

Keywords:

Fish-shapedunderwaterrobot;

motionsimulation;

communication

第1章绪论

1.1引言

随着人类的发展，对资源的需求不断增加。

陆上资源的日益紧缺，让我们把目光投向海洋。

21世纪是海洋开发的世纪，水下机器人在海洋环境研究、海洋资源探测和开发等民用领域和海洋军事方面具有广阔的应用前景和巨大的潜在价值，吸引了人们更多的注意力。

利用仿生学原理，开发类似海豚或金枪鱼的操纵与推进技术是一个很有前途的研究方向之一。

上世纪三十年代起，人类开始对鱼类游动进行观察，提出了大量关于鱼类游动机理的解释。

近年来，随着人类对鱼类游动机理了解的加深，同时伴随着仿生学、流体力学、机器人学的进步，计算机、传感器和智能控制技术的快速发展，以及新型材料的不断涌现，对仿生水下机器人技术的研究达到了一个新的顶峰，涌现了大量基于鱼类游动机理的仿生水下机器人。

1.2水下鱼形机器人技术的基本概念

1.2.1鱼类游动方式的分类

鱼类游动方式多种多样，1926年Breder根据鱼类推进运动的特征不同，将鱼类游动方式划分为两大类:

1）身体（和/或）尾鳍推进（BCFlocomotion）;

2）中间鳍（和/或）对鳍推进（MPFlocomotion）.

当然鱼类还有其它运动方式，如喷流推进、滑行等。

据估计，大约只有15%的鱼类采用第一种方式以外的其它方式推进。

由于MPF推进方式速度慢、效率低，因此我们把重点放在研究BCF推进方式上。

Breder将BCF推进继续细化为五种，如图1.1所示。

图中反映了不同推进方式下鱼体推进部分的变化。

图1.1BCF推进

图1.l中鲹科结合月牙形尾鳍推进方式（Thunniform）是效率最高、速度最快的推进方式，海洋中游速最快的“鱼类”（金枪鱼、海豚、鲨鱼）都采用该种方式。

该方式中推进运动限制在身体后三分之一，仅通过尾部（坚硬的月牙形尾鳍和尾柄）的运动产生超过90%的推力;

同时鱼体的形状和重量分布保证了身体前三分之二横向移动和转轴极小。

在游动过程中，月牙形尾鳍做横移和左右摆动（或升沉和上下摆动）的一种复合运动，并随着鱼体前进划出波浪形的轨迹。

研究表明，月牙形尾鳍的展弦比、形状、硬度、摆动都对该推进方式的效率产生影响。

由于相比之下具有高速、高效的特点，结合月牙形尾鳍推进方式很适合用于水下机器人。

目前，己有多个机器人较成功的采用了这种方式。

1.2.2仿鱼鳍机器鱼的特点

与传统的螺旋桨推进器相比仿鱼鳍推进器具有如下特点:

（1）能源利用率高，初步试验表明，采用仿鱼鳍水下推进器比常规推进器的效率可提高30-100%。

从长远看，仿鱼鳍的水下推进器可以大大节省能量，提高能源的利用率，从而延长水下作业时间。

（2）使流体性能更加完善，鱼类尾鳍摆动产生的尾流具有推进作用，可使其具有更加理想的流体力学性能。

（3）提高水下运动装置的机动性能，采用仿鱼鳍水下推进器可提高运动装置的启动、加速和转向性能。

（4）可减低噪声和保护环境，仿鱼鳍推进器运行时的噪声比螺旋桨运行时的噪声要低的多，不易被对方声纳发现和识别，有利于突防，具有重要的军事价值。

（5）实现了推进器与舵的统一，仿鱼鳍推进器的应用将改变目前螺旋桨推进器与舵机系统分开，功能单一，结构庞大，机构复杂的情况，实现浆一舵功能和二为一，从而可精简结构和系统，简化制造工艺，并降低成本和造价，具有重大的现实意义和使用价值。

（6）可采用多种驭动方式，对于应用于船舶、游艇等方面的仿鱼鳍推进器可采用机械驱动，也可采用液压驱动和气压驱动，以及混合驱动方式:

对于小型水下运动装置，可采用形状记忆合金、人造合成肌肉以及压电瓷等多种驱动元件。

1.3仿生机器鱼研究概况

国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究（表1）。

1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼（Robotuna）。

此后，结合仿生学、材料学、机械学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点,表1给出了国外一些典型的机器鱼研究项目可以看出，美国和日本进行的机器鱼研究比较多，取得的成果也比较多。

美国，1995年MIT推出了Robotuna的改进版机器鱼“Pike”皆在研究鱼的机动性和静止状态下的加速性。

1998年，MIT推出的Robtuna最高版本VCUUIV是仿黄鳍金枪鱼研制的，长8英尺，重300磅，其目的在于开发一种利用涡流控制推进的自主水下机器人。

图1-2Robotuna

英国Essex大学机器鱼课题组于2005年5月开始研制一系列的机器鱼，主要工作集中在实现仿鱼游动,特别是非稳定游动方面。

该课题组的机器鱼主要集中在两个系列，G系列和MT系列。

其中系列均是采用多电机一多关节的尾部结构。

而MT系列机器鱼则是采用单电机-多关节的尾部结构，MT1长0.48m，重3～55kg，平均推进速度为0.4m/s，自身携带的电池可以提供长达4.5小时的稳定游动。

日本20世纪90年代初，名古屋大学ToshioFukuda教授开始了微型仿鱼水下推进器的研究，他先后研制出采用形状记忆合金驱动的微型身体披动式水下推进器和压电陶瓷驱动的双鲍微型机器鱼。

为了研究最优推进方法开发高推进性能的智能型水下机器鱼，从1999年开始，运物省船舶技术研究所开始了一系列的实验机器鱼项目研究。

图1-3运物省船舶技术研究所的UPF-2001

北京航空航天大学，2004年8月，北航机器人所和中科院自动化所合作研制出一条实用的仿生机器鱼，参加了对郑成功古战船遗址的水下考古探侧，这次水下活动被有关专家认定为是国际上首例水下仿生航行体的试验研究。

表1国外典型的仿生机器鱼研究项目

哈尔滨工业大学在国家自然科掌基金支持下研制出了仿生机器鱼样机，该样机长

0.95m，重约13kg，航速可达0.3m/s。

2006年，他们又研制了一条仿生机器鱼样机“HRF-1”，游动速度可达0.5m/s，并进行了升潜和转向实验。

哈尔滨工程大学研制了一条仿生机器鱼原理样机“仿生-I”，该机器鱼长2.4m，最大直径0.62m。

排水量320Kg，潜水深度10m，最高航速13m/s。

图1-4仿生-I

仿生水下机器人由于具有高效的推进性能，良好的隐身性能和操纵性能，有着广阔的应用前景。

在民用方面，它可以用于海洋环境研究、海洋资源探测和开发、海洋援潜救生等，也可以作为智能玩具或电子宠物进入百姓家庭。

在军用方面，可用于战时侦察，收集清报，探雷与灭雷，潜艇战与反潜战，作为诱饵干扰敌方等，同时也可以作为高性能的智能化武器或武器平台，直接用于袭击和破坏敌方的港口、水下侦察系统、舰船（要害部位）、海上平台、破坏敌方海上运输线等。

另外，仿生水下机器人作为一种新兴的水下运载器，为机械、电子、材料、能源等硬件的研制以及单机器鱼控制算法、多机器鱼协调控制等软件的开发提供了全新的平台。

1.4目前研究热点及未来发展方向

目前，新型仿鱼鳍机器人的研究及未来发展主要集中在以下几方面;

（1）尾鳍摆动式推进模式水动力模型的建立;

（2）尾鳍摆动时尾流的产生及其与推进力和推进效率关系数学模型的建立

（3））弹性元件在降低尾鳍摆动能量损失中的应用:

（4）机器人姿态、运动轨迹控制;

（5）机器人的