一種新型尾鰭推進(jìn)的機(jī)器魚設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的水下推進(jìn)器相比，仿生機(jī)器魚具有推進(jìn)效率高、機(jī)動性好和對環(huán)境擾動小等優(yōu)點(diǎn)。因此，仿生機(jī)器魚的設(shè)計(jì)和研究成為水下機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。研究表明，對于身體-尾鰭推進(jìn)（簡稱BCF）運(yùn)動模式的機(jī)器魚，推進(jìn)機(jī)構(gòu)的工作效率是影響機(jī)器魚游速的一個(gè)重要因素;具有二維運(yùn)動空間的尾鰭推進(jìn)器能極大地精簡機(jī)器魚的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制。本文設(shè)計(jì)了一款基于新型二自由度尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)的仿生機(jī)器魚，避免了推進(jìn)機(jī)構(gòu)中電機(jī)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(shí)現(xiàn)了機(jī)器魚的直線巡游、轉(zhuǎn)彎、上浮和下潛四種基本運(yùn)動。機(jī)器魚的水下實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器魚具有良好的游速和機(jī)動性能，可為機(jī)器魚的推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種新的參考。主要研究內(nèi)容如下:(1)設(shè)計(jì)了一種新型的二自由度尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)，并完成了機(jī)器魚的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。介紹了在機(jī)器魚的設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種二自由度尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并給出了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。確定了使用大容量鋰電池和無刷直流電機(jī)作為

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

4、正、逆解。提出了推進(jìn)機(jī)構(gòu)的電機(jī)同速同向運(yùn)動和同速反向運(yùn)動的兩種運(yùn)動模式，以及速度和位置的兩種控制模式。在Adams中對機(jī)器魚虛擬樣機(jī)模型的直線游動、轉(zhuǎn)彎、上浮和下潛方式進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，給出了尾鰭擺角在相應(yīng)的電機(jī)輸入函數(shù)下的變化曲線，驗(yàn)證了該新型二自由度尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)用于機(jī)器魚的可行性。
　　(3)開展了機(jī)器魚的游動測試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。根據(jù)運(yùn)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(jī)控制參數(shù)變化表，并在Visu