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域的一個重要研究方向，仿生水下機器人因其在水質監(jiān)測、水環(huán)境測量、水下生態(tài)系統(tǒng)觀測、軍事偵察等領域具有潛在的應用前景而受到科學界和工程界的廣泛關注，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，主要內容如下:
　　(1)設計了一種二自由度胸鰭和三關節(jié)柔性身體協(xié)同推進的仿生機器魚。所設計仿生機器魚以鱈魚為仿生對象，其胸鰭機構以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合運動;三關節(jié)柔性身體機構和尾鰭以BCF模式推進，可實現(xiàn)水平面內的往復擺動。機器魚頭部設計為密封塑質外殼，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，通過數(shù)值分析與實驗驗證相結合的方式，確定了仿生機器魚直游和轉彎模態(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、轉彎角速度之間的關系進行分析，初步確定了5種直游模態(tài)，以及3種轉彎游動模態(tài)。其次，通過實驗驗證仿真結果，并優(yōu)化參數(shù)，最終確定了仿生機器魚的直游和轉彎模態(tài)。仿真及實驗結果表明，所設計機器魚實現(xiàn)基本游動行為的方式豐富，且理論分析結果與實驗結果相符合，